I vuoti, o spazi vuoti, esistono nella materia a tutte le scale, da quella astronomica a quella microscopica. In un nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia ad alta potenza e la teoria matematica per svelare vuoti su scala nanometrica in tre dimensioni. Questo progresso è destinato a migliorare le prestazioni di molti materiali utilizzati in ambito domestico e nell'industria chimica, energetica e medica, in particolare nel settore della filtrazione.
L'ingrandimento dei comuni filtri utilizzati in casa mostra che, mentre sembrano un pezzo solido di materiale con fori uniformi, in realtà sono composti da milioni di minuscoli vuoti orientati in modo casuale che consentono il passaggio di piccole particelle. In alcune applicazioni industriali, come la filtrazione di acqua e solventi, membrane sottilissime costituiscono le barriere che separano fluidi e particelle.
"La comunità della scienza dei materiali è a conoscenza da tempo di questi vuoti su scala nanometrica orientati in modo casuale all'interno delle membrane filtranti", ha affermato Falon Kalutantirige, uno studente laureato a Urbana-Champaign dell'Università dell'Illinois.
"Il problema era che la struttura complessa della membrana nel suo insieme, che quando ingrandita assomiglia a catene montuose su scala nanometrica, bloccava la nostra visione degli spazi vuoti. Poiché non potevamo vederli, non potevamo comprendere appieno come influenzassero la filtrazione. proprietà. Sapevamo che se fossimo riusciti a trovare un modo per vederli, avremmo potuto capire come funzionano e, in definitiva, migliorare le prestazioni della membrana filtrante."
Lo studio, diretto dal professore di scienza dei materiali e ingegneria dell'Illinois Qian Chen e dal professore dell'Università del Wisconsin-Madison Ying Li, è il primo a integrare la scienza dei materiali e un concetto matematico chiamato teoria dei grafi per aiutare a immaginare e mappare il posizionamento casuale di questi vuoti all'interno. materiali di filtrazione. I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications .
Basandosi su uno studio precedente che utilizzava modelli di laboratorio, i ricercatori hanno affermato che il nuovo studio si concentra su membrane molto più complesse utilizzate nelle applicazioni industriali.
"Le superfici delle membrane che abbiamo studiato in questo lavoro sembrano piatte a occhio nudo, ma quando abbiamo ingrandito utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione, la tomografia elettronica e la microscopia a forza atomica, abbiamo potuto osservare questi vuoti annidati all'interno di questi paesaggi montuosi su scala nanometrica che chiamiamo accartocciati. ," ha detto Kalutantirige, il primo autore dello studio.
Tuttavia, il team aveva bisogno di un mezzo per misurare e mappare queste caratteristiche per costruire un modello predittivo quantitativo e ottenere un quadro più olistico delle superfici della membrana.
"La mappatura e la misurazione da sole funzioneranno per i materiali con una struttura regolare o periodica, rendendo matematicamente semplice l'ampliamento dei nostri modelli e la previsione di come le proprietà strutturali influenzeranno le prestazioni del materiale", ha affermato Chen.
"Ma l'irregolarità che abbiamo osservato nel nostro studio ci ha spinto a utilizzare la teoria dei grafi, che ci fornisce un modo matematico per descrivere questo materiale eterogeneo e disordinato, ma pratico."
La teoria dei grafici ha finalmente aiutato il team ad acquisire una comprensione più olistica della struttura della membrana del filtro, che li ha portati a scoprire una forte correlazione tra le proprietà fisiche e meccaniche uniche dello spazio vuoto casuale e le migliori prestazioni di filtrazione.
"Il nostro metodo è una tecnica molto universale per descrivere i materiali", ha detto Kalutantirige. "Molte cose che usiamo nella vita quotidiana e nella scienza non sono costituite da materiali composti da strutture uniformi ripetitive. Quindi, la bellezza del metodo, credo, è che possiamo catturare la 'regolarità' delle strutture irregolari."
Il team ha affermato che questo progresso migliorerà l'efficacia di molti materiali porosi di prossima generazione, come i polimeri utilizzati nella somministrazione di farmaci.
"Il titolo di questo studio allude al concetto di 'oltre il nulla' e con ciò intendiamo che questi spazi vuoti sono davvero importanti quando si tratta di sviluppare le migliori membrane di filtrazione", ha affermato Chen. "Questo lavoro è possibile solo con il nostro meraviglioso team di collaboratori. Xiao Su ci ha aiutato con i test sulle prestazioni della membrana. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder e Jeffrey Moore hanno lavorato con noi sulla sintesi e sull'analisi dei sistemi polimerici."
Chen è anche affiliato all'ingegneria chimica e biomolecolare, alla chimica, al Laboratorio di ricerca sui materiali e al Beckman Institute for Advanced Science and Technology. Jinlong He dell'UW-Madison; Hyosung An dell'Università Nazionale di Chonnam, Corea; Allo studio hanno contribuito anche i ricercatori dell'Illinois Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou e John Smith.
Ulteriori informazioni: Al di là del nulla nella formazione e nella rilevanza funzionale dei vuoti nei film polimerici" è disponibile online, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46584-2
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
