“De geschiedenis van de ontwikkeling van membranen omspant meer dan honderd jaar en heeft geleid tot een revolutie in industriële scheidingsprocessen,” zegt professor Rahul Raveendran Nair, Carlsberg/Royal Academy of Engineering Research Chair en leider van het onderzoeksteam. “De laatste jaren zijn er inspanningen geleverd om membranen te maken die biologische structuren nabootsen, met name hun ‘intelligente’ eigenschappen.”
Wetenschappers van het schrijft het National Graphene Institute (NGI) hebben intelligente membranen ontwikkeld die hun eigenschappen kunnen veranderen afhankelijk van de omgeving, schrijft het instituut in een persbericht. Dit betekent dat de membranen zich kunnen aanpassen aan verschillende omstandigheden in hun omgeving en, nog belangrijker, hun toestand kunnen onthouden, een eigenschap die in veel verschillende toepassingen kan worden benut.
Hysteresis
Het verschijnsel hysterese is de meest voorkomende uitdrukking van geheugen of intelligentie in een materiaal. Het verwijst naar de situatie waarin de huidige eigenschappen van een systeem afhankelijk zijn van en gerelateerd zijn aan de vorige toestand. Hysterese wordt vaak waargenomen in magnetische materialen. Een magneet kan bijvoorbeeld meer dan één mogelijk magnetisch moment hebben in elk magnetisch veld, afhankelijk van het veld waaraan de magneet in het verleden werd onderworpen. Hysteresis wordt echter zelden waargenomen bij moleculair transport door kunstmatige membranen.
“Het vinden van eenvoudige en doeltreffende oplossingen voor schoon water is een van onze grootste mondiale uitdagingen. Deze studie toont aan dat fundamentele inzichten op moleculair niveau en materialen op nanoschaal grote mogelijkheden bieden voor de ontwikkeling van ‘slimme’ membranen voor waterzuivering en andere toepassingen,” aldus professor Angelos Michaelides van de Universiteit van Cambridge.
Nabootsende membranen
In dit werk heeft het team uit Manchester in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Cambridge, de Universiteit van Xiamen, de Dalian University of Technology, de Universiteit van York en de Nationale Universiteit van Singapore intelligente membranen ontwikkeld op basis van MoS2 (een tweedimensionaal materiaal dat molybdeendisulfide wordt genoemd) die zich kunnen herinneren hoe doorlaatbaar ze voorheen waren. De onderzoekers hebben aangetoond dat de manier waarop ionen en water in de membranen infiltreren kan worden geregeld door de externe pH te regelen.
De membranen bootsen de functie van biologische celmembranen na en vertonen hysteretisch ionen- en watertransportgedrag in reactie op de pH, wat betekent dat zij zich herinneren aan welke pH zij eerder werden blootgesteld. “De geheugeneffecten die we hebben gezien zijn uniek voor deze membranen en zijn nooit eerder waargenomen bij anorganische membranen,” aldus mede-eerste auteur Dr. Amritroop Achari van de Universiteit van Manchester.
Betere detectie van wondinfecties
De onderzoekers toonden aan dat het biomimetische effect kan worden gebruikt om de autonome detectie van wondinfecties te verbeteren. Daartoe plaatsten ze de membranen in kunstmatig wondexsudaat, dat de vloeistof simuleert die door wonden wordt geproduceerd, en onderwierpen ze aan veranderingen in pH. De membranen lieten alleen permeatie van het wondexsudaat toe bij pH-niveaus die relevant zijn voor een geïnfecteerde wond, waardoor ze kunnen worden gebruikt als sensoren voor het opsporen van infecties. Volgens de onderzoekers kunnen de nieuwe membranen ook worden gebruikt voor tal van andere pH-afhankelijke toepassingen, van nanofiltratie tot het nabootsen van de functie van neuronale cellen.
Coauteur professor Kostya Novoselov: “Het unieke aan dit membraan is dat zijn hysteretische pH-respons kan worden gezien als een geheugenfunctie, wat veel interessante wegen opent voor het creëren van slimme membranen en andere structuren. Onderzoek in deze richting kan een centrale rol spelen bij het ontwerp van intelligente technologieën voor morgen.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
