Detaily článku

Lepší porozumění membránám

Nová třída membrán slibuje velmi zajímavé aplikace v oblasti separace materiálů, ať už v biotechnologiích nebo při čištění vody.
Teoretické znalosti těchto polymerních membrán jsou však stále neúplné. Dva vědci z Helmholtz-Zentrum Hereon a z univerzity v Göttingenu nyní představují studii publikovanou v renomovaném vědeckém časopise Chemical Reviews, která tyto mezery ve znalostech identifikuje a ukazuje slibné přístupy k jejich řešení.

Datum: 3.6.2021

membránová separace

Ať už jde o odsolování, čištění vody nebo separaci CO2, membrány hrají v technologii ústřední roli. Helmholtz-Zentrum Hereon již několik let pracuje na nové variantě: tvoří ji speciální polymery, které vytvářejí póry o stejné velikosti v měřítku nanometrů. Materiály, které mají být odděleny, například některé bílkoviny, mohou těmito póry doslova proklouznout. Protože jsou tyto separační vrstvy velmi tenké, a tudíž velmi křehké, jsou vázány na houbovitou strukturu s mnohem hrubšími póry, což zajišťuje struktuře potřebnou mechanickou stabilitu.

"Zvláštním aspektem je, že tyto struktury vznikají aktem samoorganizace," říká profesor Volker Abetz, ředitel Hereonova institutu pro výzkum membrán a profesor fyzikální chemie na univerzitě v Hamburku. "Na rozdíl od srovnatelných membrán, které se částečně vyrábějí složitým procesem za použití urychlovačů částic, to slibuje relativně levnou výrobu." Protože polymerní membrány kombinují vysokou propustnost se silnou separační selektivitou, mohly by být v budoucnu zajímavé pro biotechnologie a farmaceutickou výrobu, ale také pro čištění odpadních vod, jako např. pro filtraci nežádoucích barviv.

Pokrok díky počítačovým simulacím

Odborníci v posledních letech dosáhli ve vývoji těchto nových membrán značného pokroku. Pro jejich přizpůsobení konkrétním aplikacím však stále chybí komplexní teoretické znalosti. "Zatím se do toho zapojilo hodně pokusů a omylů i instinktů," říká Abetz. "Nyní by mělo jít o to, abychom těmto systémům co nejlépe od základu porozuměli." Proto Marcus Müller, profesor teoretické fyziky na univerzitě v Göttingenu, a Volker Abetz publikovali přehledový článek ve vědeckém časopise Chemical Reviews. Práce shrnuje současný stav znalostí v oblasti polymerních membrán a identifikuje nejslibnější výzkumné přístupy, které mohou odstranit stávající mezery ve znalostech.

Důležitou roli zde hrají počítačové simulace: lze je využít k digitálnímu detailnímu modelování toho, co se děje během výrobního procesu. "Problémem je, že tyto procesy jsou nesmírně složité a že se zabýváme zcela odlišnými délkovými a časovými měřítky," vysvětluje Müller. "A my jsme zatím nebyli schopni pokrýt všechna tato měřítka jediným popisem." Existují však počítačové modely, které dokáží jednotlivé aspekty simulovat. Zatímco některé z těchto modelů popisují chování jednotlivých molekul polymeru, jiné reprodukují membránu na mnohem hrubší mřížce. Tyto různé přístupy jsou zatím propojeny jen poměrně slabě a popis časové posloupnosti jednotlivých procesů také představuje výzvu. Pro hlubší pochopení by bylo přínosné, kdyby byly modely lépe propojeny než nyní.
Polymerní membrány od rýsovacího prkna

"Výrobu polymerních membrán lze přirovnat k výrobě suflé," říká Müller. "V obou případech jde o stabilizaci drobných pórů, na kterých záleží, než se to celé zase zhroutí." Jedním z nejasných aspektů je, jak a zda vůbec se současná tvorba separační a nosné vrstvy navzájem ovlivňuje a jak to lze řídit. Další otázka se týká toho, jak lze póry uspořádat a zarovnat tak, aby umožňovaly co nejvyšší průtok membránou - což je rozhodující kritérium pro rentabilitu membrány. "Naštěstí se počítače i modely stále zlepšují, což by mělo umožnit značný pokrok," dodává Müller. "Máme přístup k superpočítači JUWELS v Jülichu, který je jedním z nejrychlejších na světě." V budoucnu by možná mohly pomoci i algoritmy strojového učení; zde by mohl být dosud neobjevený potenciál.

Nejde však jen o teorii. Je třeba pracovat také na experimentech. "Jednou velkou neznámou je například vlhkost," vysvětluje Abetz. "Víme, že může rozhodujícím způsobem ovlivnit tvorbu polymerní membrány. Abychom však tento vliv lépe pochopili, potřebujeme systematické testy." Pokud se podaří překonat překážky, jako jsou tyto, přiblíží se tím o něco více dlouhodobý cíl výzkumu: "Naším snem je navrhnout a optimalizovat polymerní membránu pro konkrétní aplikaci nejprve jako "digitální dvojče" na počítači, aby se později mohla cíleně vyrábět v laboratoři," říká Abetz.

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Authors of the study

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.