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美开发出具有高度均匀亚纳米通道的自组装聚合

文章作者:新闻中心 上传时间:2019-08-31

据美国物理学家组织网近日报道,美国科学家使用嵌段共聚物合成出一种新式的纳米膜,该膜可过滤掉饮用水中的细菌。科学家认为,这种纳米膜或可解决一个多年悬而未决的全球健康问题:如何将细菌从饮用水中隔离开。该研究发表在《纳米快报》杂志上。   水分子和细菌非常微小,人的裸眼无法看到,科学家一般以纳米为单位来标注其大小。但在显微镜下,水分子和细菌的大小则迥然不同。单个水分子的直径远远小于1纳米,而大多数细菌的大小则有几百纳米。  纽约州立大学水牛城分校的化学家扎维德·罗扎耶夫领导的研究小组,使用嵌段共聚物合成出一种新式纳米膜,该纳米膜含有直径约为55纳米的孔隙,这种孔隙的大小足以让水分子成为“漏网之鱼”,但细菌却无法通过;而且,嵌段共聚物拥有的特殊属性能让孔隙平均分布于该纳米膜上。  罗扎耶夫表示,商用膜在孔隙密度或孔隙大小的一致性方面都存在局限,但新式纳米膜上的孔隙分布均匀,孔隙的大小也整齐划一,该膜可作过滤膜使用。并且,这个直径为55纳米的孔隙是迄今为止科学家使用嵌段共聚物制造出的最大的孔隙。增大孔隙会增加水流、降低成本、节省时间。另外,直径为50纳米到100纳米的孔隙也足够小,任何细菌都无法通过。  新纳米膜拥有的特殊属性要归功于其原始材料嵌段共聚物。嵌段共聚物由化学结构不同且较短的聚合物交替构成。这两个聚合物会相互排斥,但在另一端会紧紧依附在一起形成一个聚合物。当许多嵌段共聚物混杂在一起时,它们之间的相互排斥力会让它们采用一种有规则的、交替的模式集合在一起。这个自我组装过程最终得到的结果就是一个由两类不同聚合物组成的固体纳米膜。 为了让该纳米膜上的孔隙平均分布,罗扎耶夫团队移除了其中的一种聚合物。孔隙相对较大是因为组成原初嵌段共聚物的分子具有类似于试管刷状的独特结构。(刘霞)

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据美国物理学家组织网近日报道,未来学家曾设想过一种分子通道聚合物膜,可用来捕获碳,生产以太阳能为基础的燃料,或进行海水淡化处理,不过前提是这类聚合物膜可以很容易地大规模制造。美国科学家最近开发出一种具有高度均匀亚纳米通道的自组装聚合物膜,首次实现了在宏观尺度上利用有机纳米管制备功能膜,且其生产工艺符合商业生产要求,标志着这一技术已成功地迈出了重要一步。

澳门葡京线上注册,利用经典的分子动力学模拟,研究了不同孔径(1.5 - 62 A2)的纳米孔石墨烯的透水性和孔隙化学性质。纳米孔可以通过氦离子束钻孔和化学蚀刻等多种方法引入石墨烯中。研究人员通过钝化或屏蔽孔边的每个碳原子来增强纳米孔。

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由于这些位于孔隙边缘的碳原子在没有钝化的情况下会发生相当大的反应,因此在现实的实验条件下,它们很可能会发生某种形式的化学功能化。这在一定程度上是可以控制的,所以我们想要探索疏水和亲水边缘化学的两个极限。如果没有官能团,那么在很短的时间内,水分子会在孔隙边缘游离,很可能会使这些碳氢化或羟基化。研究人员在模拟中比较了纳米多孔石墨烯的两种化学性质,以及不同孔径的石墨烯。他们在膜上运行了盐度为72 g/L的盐水,盐度约为平均海水盐度的两倍。

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然而,这是研究人员首次探索纳米孔石墨烯作为海水淡化过滤器的潜在作用。

新蒲京彩金娱乐,除了这种可以自组装的环肽纳米管,研究人员在制备聚合膜的过程中还使用了嵌段共聚物,其可在宏观尺度上自组装成纳米阵列结构。环肽纳米管和嵌段共聚物以共价键相连,这样就形成了以环肽纳米管和嵌段共聚物两种自组装系统构成的宏观尺度亚纳米多孔膜。科学家表示,未来这种多孔薄膜的通道大小和形状均可根据有机纳米管的分子结构来量身定制。

总体而言,研究结果表明,从理论上讲,纳米孔石墨烯的透水性优于反渗透膜。反渗透膜的渗透性以每天每平方厘米薄膜的输出升和每单位施加压力为单位。尽管高通量RO的渗透率只有十分之一几,但模拟结果显示,对于完全盐排斥的孔隙结构(23.1 A2氢化孔隙和16.3 A2氢化孔隙),纳米孔石墨烯的渗透率在39到66之间。羟基化孔隙最大的石墨烯达到129个,但允许部分盐离子通过。

美国加州大学伯克利分校负责该项目的徐婷表示,该技术的关键是共轭聚合物,它控制环肽和嵌段共聚物界面,使它们同步自组装,从而让纳米管通道只在聚合物膜框架内形成。徐婷及其同事目前已可以制备数厘米大小的具有高密度阵列通道的多孔膜。这些通道经二氧化碳和新戊烷测试表明,小分子二氧化碳的渗透率高于大分子新戊烷。

虽然海洋包含了地球上97%的水,但目前世界饮用水供应中只有一小部分来自于脱盐盐水。为了增加我们对盐水的使用,必须使海水淡化技术变得更加节能,并降低可持续发展的成本。

美开发出具有高度均匀亚纳米通道的自组装聚合物膜 其通道大小和形状均可量身定制

氢化和羟基化石墨烯孔隙。模拟纳米孔石墨烯过滤盐离子和生产饮用水的侧面图。

徐婷表示,下一步将利用这种技术来制备更厚的多孔膜。她认为,理论上,该技术没有尺寸限制,制备较大面积的多孔膜不存在问题。该技术证明,通过控制各组分的二次交互作用,可同步多重自组装过程。该技术有助于克服功能材料的技术瓶颈,为实现多组分层次结构开辟了一条新途径。

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细胞膜是大自然最重要的发明之一,它通过通道的大小、形状及表面化学来控制关键分子和离子进出细胞。在自然界中,多肽链两端连接在一起可构成环状结构。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和美国加州大学伯克利分校的研究人员使用的就是以这种自然形成的环肽所构成的有机纳米管。这种自然有机纳米管与碳纳米管不同,它具有可逆性,这意味着其大小和方向在制造过程中都比较容易修改。

尽管最大的纳米孔可以以最高的速度过滤水,但大的纳米孔允许一些盐离子通过。模拟确定了中等范围的纳米孔直径,其中纳米孔足够大,可以让水分子通过,但又足够小,可以限制盐离子。模拟还显示,羟基化石墨烯显著提高了水的渗透性,科学家将其归因于羟基的亲水性。相反,由于氢化孔是疏水的,水分子只能在一定数量的高度有序结构下流动。但是亲水基团使得水分子在孔隙中有更多的氢键构型,这种限制的缺失增加了水的通量。

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研究人员预测,石墨烯优越的透水性可能会导致脱盐技术比反渗透技术需要更少的能源,使用更小的模块,成本将取决于石墨烯制造方法的未来改进。

各种海水淡化技术的透水性。石墨烯纳米孔可以排斥水渗透性比商业反渗透技术高2-3个数量级的盐离

麻省理工学院的科学家在最近一期的《纳米快报》(Nano Letters)上发表了他们关于使用单层纳米孔石墨烯进行海水淡化的研究。这项研究表明,通过发明更高效、更有针对性的薄膜材料,目前海水淡化技术的一些缺陷是可以避免的。特别是,定制的纳米结构的膜可以允许实际流动的水通过大小排除,导致比反渗透高得多的渗透性。”

在计算上,我们正在寻找一系列其他潜在的新方法来设计用于脱盐和去污的膜。在实验上,目前正在制造纳米孔膜,有望在未来几个月测试它们的脱盐性能。

研究人员解释说,在海水淡化中使用纳米孔石墨烯面临两个主要挑战。一种是实现较窄的孔径分布,尽管合成高有序多孔石墨烯的实验进展迅速,表明这可能很快就可行。另一个挑战是在施加压力下的机械稳定性,这可以通过使用像反渗透材料那样的薄膜支撑层来实现。

这不是研究人员第一次研究使用纳米孔材料进行海水淡化。反渗透膜利用高压缓慢推动水分子通过多孔膜,与之相反,纳米孔材料在较低的压力下工作,并提供清晰的通道,可以比反渗透膜更快地过滤盐水。

在一项新的研究中,来自麻省理工学院的两名材料科学家在模拟中显示,纳米孔石墨烯能够以比目前最好的商业化海水淡化技术——反渗透快2-3个数量级的速度过滤水中的盐。

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单层石墨烯,只有一个碳原子那么厚,是最终的薄膜,它有利于海水淡化,因为水通过薄膜的通量与薄膜的厚度成反比。

当水分子、钠离子和氯离子在盐水中遇到由右边大小的孔穿孔的石墨烯薄

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