این فیلترهای مولکولی که هزاران بار نازک‌تر از موی انسان هستند، می‌توانند روش پاکسازی آب را در جهان تغییر دهند.

تفکیک صنعتی بی سر و صدا در قلب تولید مدرن قرار دارد، با این حال مقادیر زیادی انرژی مصرف می کند و هزینه های زیست محیطی قابل توجهی ایجاد می کند. یک فناوری جدید غشایی که توسط یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی توسعه یافته، جایگزینی دقیق‌تر و پایدارتر را نوید می‌دهد.

دانشمندان از CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research (CSMCRI)، موسسه فناوری هند گاندیناگار، دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور و مرکز ملی علوم پایه SN Bose برای ساخت نوع جدیدی از غشای فیلتراسیون که برای مرتب‌سازی مولکولی تیز و غیرمعمول طراحی شده است، با یکدیگر همکاری کرده‌اند.

گزارش شده در مجله انجمن شیمی آمریکااین رویکرد می تواند هزینه های انرژی برای تصفیه صنعتی را کاهش دهد و استفاده مجدد از آب در مقیاس بزرگ را دست یافتنی تر کند.

بخش عظیمی از تولید به “شکاف” بستگی دارد. این کلمه واحد همه چیز را از حذف محصولات جانبی ناخواسته در طول تولید دارو گرفته تا حذف رنگ از پساب نساجی گرفته تا مواد تصفیه شده در فرآوری مواد غذایی را در بر می گیرد. امروزه، بسیاری از این مراحل هنوز بر پایه تقطیر و تبخیر هستند که به خوبی کار می کنند، اما مقادیر زیادی انرژی می سوزانند و انتشار کربن صنعتی را به شدت افزایش می دهند.

سیستم های غشایی اغلب به عنوان یک جایگزین تمیزتر در نظر گرفته می شوند زیرا می توانند مواد شیمیایی را بدون گرم کردن و سرد کردن مکرر حجم زیاد جدا کنند، اما غشاهای پلیمری معمولی یک ضعف دائمی دارند: منافذ آنها از نظر اندازه متفاوت است و می توانند با افزایش سن مواد تغییر کنند. هنگامی که چشم انداز منافذ تغییر می کند، گزینش پذیری کاهش می یابد و برای کار دقیق یک مشکل است.

دسته جدیدی از غشاهای کریستالی

دکتر شیلپی کوشواها، دانشمند ارشد در CSMCRI گفت: «برای رفع این محدودیت‌ها، ما یک کلاس جدید از غشاهای کریستالی و اولترا انتخابی به نام «POMBranes» ایجاد کرده‌ایم که حاوی منافذی به عرض یک نانومتر، هزاران بار نازک‌تر از موی انسان است.

این هدف یک نانومتری فقط یک عدد کوچک نیست. در این مقیاس، تفاوت‌های کوچک در اندازه و شکل مولکول‌ها شروع به اهمیت می‌کنند، به همین دلیل است که زیست‌شناسی از کانال‌هایی با اندازه تقریباً عالی برای کنترل آنچه می‌گذرد استفاده می‌کند. این تیم از آکواپورین‌ها، کانال‌های پروتئینی طبیعی که آب را عبور می‌دهند و در عین حال بسیاری از مولکول‌های دیگر را مسدود می‌کنند، الهام گرفتند و تصمیم‌گیری بر اساس اندازه در یک ماده مصنوعی را هدف گرفتند.

برای انجام این کار، آنها به خوشه های پلی اکسومتالات (POM) روی آوردند. این خوشه ها اکنون شامل یک روزنه تعبیه شده با قطر ثابت دقیقاً 1 نانومتر هستند، به این معنی که مسیر فیلتر توسط خود مولکول تعیین می شود، نه توسط یک پلیمر نرم که می تواند به آرامی تغییر شکل دهد. به گفته خانم پریانکا دوباریا، محقق CSMCRI و یکی از نویسندگان مقاله، “این POM ها خوشه های فلزی کوچک و تاج شکلی هستند که دارای یک سوراخ دائمی و کامل در مرکز خود هستند که تغییر نمی کند یا شکل خود را از دست نمی دهد، که بزرگترین مانع فیلترهای پلاستیکی سنتی است.”

خود مونتاژ و کنترل مولکولی

این غشاء تنها زمانی مفید است که یک صفحه پیوسته و بدون شکاف تشکیل دهد، بنابراین محققان بر روی نحوه چیدمان تعداد زیادی از این خوشه های حلقه ای شکل در یک لایه یکنواخت تمرکز کردند. آنها زنجیره های شیمیایی انعطاف پذیر را به خوشه ها متصل کردند، سپس اجازه دادند مواد روی سطح آب جمع شوند. تحت این شرایط، خوشه‌ها پخش می‌شوند و در یک لایه بسیار نازک در مناطق وسیعی قرار می‌گیرند، رفتاری که نمایش تولید مقیاس‌پذیر را به جای نمونه‌های آزمایشگاهی یکباره تسهیل می‌کند.

با تغییر طول زنجیره، تیم می‌تواند میزان بسته بندی خوشه‌ها را تنظیم کند. بسته بندی محکم تر مسیرهای جایگزین را در اطراف منافذ محدود می کند و مولکول ها را به سمت مسیر طراحی شده هل می دهد.

دکتر Raghavan Ranganathan، دانشیار گروه مهندسی مواد IITGN، افزود: “این مولکول ها را مجبور کرد از طریق غشاء از طریق تنها مسیر باز عبور کنند، سوراخ های یک نانومتری تعبیه شده در هر خوشه، که به غشاء اجازه می دهد تا به عنوان یک غربال با تکنولوژی بالا عمل کند.”

او و آقای Vinay Thakur، دانشمند دکترا در IITGN و یکی از نویسندگان مقاله، از شبیه‌سازی‌های سطح مولکولی استفاده کردند تا نشان دهند که چگونه ساختار حمل و نقل را هدایت می‌کند و چرا منافذ بر آنچه که از آن می‌گذرد تسلط دارند.

انتخاب برجسته و عملکرد صنعتی

در آزمایش‌ها، غشاء می‌تواند مولکول‌هایی را که از نظر جرم تنها در حدود 100 تا 200 دالتون متفاوت هستند، تشخیص دهد، سطحی از جدایی که غشاهای پلیمری معمولی برای رسیدن به آن تلاش می‌کنند. برای زمینه، دالتون واحدی است که برای توصیف جرم مولکولی استفاده می شود، بنابراین این نتیجه به مرتب سازی اشاره دارد که می تواند بین ترکیبات نزدیک به هم تمایز قائل شود، نه اینکه صرفاً بزرگ را از کوچک جدا کند.

به گفته دکتر Ketan Patel، دانشمند ارشد CSMCRI، این سطح از کنترل فرصت های جدیدی را برای تولید پایدار باز می کند. او گفت: «غشاهای ما تقریباً ده برابر عملکرد جداسازی بهتری نسبت به فناوری‌های موجود نشان می‌دهند، در حالی که انعطاف‌پذیر، قوی و مقیاس‌پذیر هستند». “علاوه بر این، این غشاها انعطاف پذیر هستند، در سطوح مختلف اسیدیته (محدوده pH) پایدار هستند و می توانند در صفحات بزرگ تولید شوند. این ترکیب برای استفاده گسترده از غشاها در صنعت ضروری است.”

این ترکیب اهمیت دارد زیرا جریان‌های صنعتی واقعی آشفته هستند. فاضلاب و حلال‌های فرآیند می‌توانند اسیدیته را تغییر دهند، مخلوط‌های پیچیده را شامل شوند و به طور مداوم برای دوره‌های طولانی کار کنند. غشایی که ساختار منفذی خود را در این شرایط حفظ کند، بیش از یک کنجکاوی آزمایشگاهی است.

این کار همچنین ارتباط نزدیکی با صنایع نساجی و داروسازی هند دارد. منسوجات و پوشاک بیش از 2.3 درصد از تولید ناخالص داخلی و حدود 13 درصد از تولیدات صنعتی را تشکیل می دهند، به طوری که بازار داخلی بین 160 تا 225 میلیارد دلار آمریکا تخمین زده می شود و انتظار می رود تا سال 2030 به 250 تا 350 میلیارد دلار برسد.

با این حال، رنگ آمیزی و تکمیل حجم زیادی از فاضلاب آلوده تولید می کند، بنابراین حذف بهتر رنگ و بازیافت آب ضروری است. غشاهای جدید می توانند به طور انتخابی مولکول های رنگ را حذف کنند و در عین حال امکان استفاده مجدد از آب، کاهش تقاضا برای آب شیرین و کاهش تخلیه شیمیایی را فراهم کنند. این امر به ویژه مهم است زیرا انتظار می‌رود بازار تصفیه فاضلاب هند در سال‌های آینده به سرعت رشد کند.

غشاهای جدید می توانند به طور انتخابی مولکول های رنگ را حذف کنند در حالی که امکان استفاده مجدد از آب را فراهم می کنند و مصرف آب شیرین و دفع مواد شیمیایی را کاهش می دهند. این امر به ویژه اهمیت دارد زیرا انتظار می‌رود بازار تصفیه فاضلاب در هند در سال‌های آینده به سرعت رشد کند.

به سمت تولید مقیاس پذیر و الهام گرفته از طبیعت

برای بخش داروسازی، جایی که جداسازی دقیق برای خلوص دارو و تولید مقرون به صرفه ضروری است، این فناوری می تواند مزایای قابل توجهی ارائه دهد. آقای Vinay Thakur خاطرنشان کرد: “فرآیندهایی مانند تصفیه دارو و بازیابی حلال هم انرژی بر و هم حساس به کیفیت هستند.” غشاهای بسیار انتخابی مانند این می توانند مصرف انرژی را کاهش دهند و در عین حال استانداردهای سختگیرانه مورد نیاز در تولید دارو را حفظ کنند.

انعطاف پذیری POMembrane های مهندسی شده آنها را به یک فناوری پلت فرم موثر تبدیل می کند. ساختار قابل تنظیم، گزینش پذیری و پایداری بالا در شرایط شیمیایی سخت، مناسب بودن آنها را برای طیف گسترده ای از چالش های جداسازی، از تصفیه فاضلاب گرفته تا پردازش های شیمیایی پیشرفته، تضمین می کند.

از آنجایی که صنایع به دنبال راه حل هایی هستند که کارایی، دوام و پایداری را متعادل می کند، غشاهای مهندسی مولکولی می توانند ستون فقرات فناوری های تولید نسل بعدی را تشکیل دهند. این مطالعه با گرفتن یک اصل اساسی از زیست شناسی – کنترل دقیق در مقیاس مولکولی – و ترجمه آن به یک سیستم مواد مقیاس پذیر، نشان می دهد که چگونه طراحی الهام گرفته شده از طبیعت می تواند نیازهای صنعتی دنیای واقعی را برآورده کند.

مرجع: “لایه های نازک کریستالی سوپرامولکولی بزرگ از پلی اکسومتالات ها با منافذ کنترل شده 1 نانومتری که انتقال مولکولی فوق انتخابی را امکان پذیر می کند” توسط پریانکا دوباریا، وینای تاکور، امروتا آ، کاران مروانیا، آشیش ماوریا، پرادیپ پچمارو، راواهان، پراشها و کتان پاتل، 13 ژانویه 2026. مجله انجمن شیمی آمریکا.
DOI: 10.1021/jacs.5c17644

هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.