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科学家研发新型膜 可成功用于质量分离弥补现有的常识空白
材料内参 / 时间:2021-05-28 22:41:48

贤集网5月27日讯:无论是在脱盐,水净化还是在CO2分离中,膜在技术中都起着核心作用。Helmholtz-Zentrum Hereon一直在研究一种新的变体:它由特殊的聚合物组成,这些聚合物形成了纳米尺寸的相同尺寸的孔。待分离的材料(例如某些蛋白质)实际上会从这些孔中滑出。由于这些分离层非常薄,因此非常脆弱,因此它们被束缚在具有大得多孔隙的海绵状结构上,从而为该结构提供了必要的机械稳定性。

汉堡大学Hereon膜研究所所长,物理化学教授Volker Abetz教授说,一个特殊的方面是这些结构以自组织的形式形成。与可比较的膜相反,该膜通过使用颗粒促进剂通过复杂工艺部分制造而成,这保证了相对便宜的生产。因为聚合物膜将高通量与强大的分离选择性结合在一起,所以它们在未来对于生物技术和制药生产以及在废水处理(例如用于滤除不需要的染料)中可能是令人感兴趣的。

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新型膜可成功用于质量分离。

通过计算机仿真取得进展

近年来,专家们在开发这些新膜方面取得了长足的进步。但是,要针对特定的应用量身定制它们,仍然缺乏全面的理论理解。现在应该从根本上尽可能多地了解这些系统。 因此,哥廷根大学理论物理学教授马库斯·穆勒(MarcusMüller)和沃尔克·阿贝茨(Volker Abetz)在《化学评论》科学期刊上发表了一篇评论文章。这项工作总结了聚合物膜领域的当前常识状态,并确定了最有前途的研究方法,可以弥补现有的常识空白。

计算机仿真在这里起着重要的作用:它们可用于对制造过程中发生的情况进行详细的数字化建模。Müller说明说,问题在于这些过程非常复杂,大家正在处理完全不同的时长和时间尺度。而且大家还无法用一个描述来涵盖所有这些比例。 但是,有些计算机模型可以模拟各个方面。尽管其中一些模型描述了单个聚合物分子的行为,但其他模型则在更粗糙的网格上重现了膜。到目前为止,这些不同的方法之间的联系还很薄弱,描述各种过程的时间顺序也带来了挑战。

制图板上的聚合物膜

Müller说,可以将聚合物膜的生产与制作蛋奶酥进行比较。这两种方法都可以在整个物体再次塌陷之前稳定重要的细孔。不清楚的方面之一是分离层和载体层的同时形成如何以及是否相互影响,以及如何对其进行控制。另一个问题涉及孔如何排列和对齐,以使它们允许通过膜的流速尽可能高,这是膜获利能力的决定性标准。Müller补充说,幸运的是,计算机和模型都越来越好,这将促进可观的进步。大家可以访问Jülich的JUWELS超级计算机,这是世界上最快的计算机之一。 机器学习算法将来也可能会有所帮助;这里可能有未被发现的潜力。

但是,不仅需要理论。实验中还需要完成一些工作。例如,最大的未知数是湿度, Abetz说明说,大家知道它可以决定性地影响聚合物膜的形成。但是,为了更好地理解这种影响,大家需要系统的测试。如果可以克服这些障碍,它将使长期研究目标更加接近:大家的梦想是首先针对计算机上的“数字孪生”设计和优化针对特定应用的聚合物膜,以便后来在实验室有针对性地生产出来。 Abetz说,也许大家甚至可以在计算机上发现全新的结构,这是大家在实验中从未遇到过的结构。


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