Forscher des National Graphene Institute (NGI) haben „intelligente“ Membranen entwickelt, deren „Gedächtnis“ in Bereichen wie intelligenter Trenntechnologie, Wundmanagement, Arzneimittelabgabe, Sensoren und Speichergeräten verwendet werden kann.
„Die Geschichte der Membranentwicklung erstreckt sich über mehr als 100 Jahre und hat zu einer Revolution bei industriellen Trennverfahren geführt“, sagt Professor Rahul Raveendran Nair, Carlsberg/Royal Academy of Engineering Research Chair und Leiter des Studienteams. „In den letzten Jahren wurden einige Anstrengungen unternommen, um Membranen herzustellen, die biologische Strukturen nachahmen, insbesondere ihre „intelligenten“ Eigenschaften.“
Nun, in einer heute veröffentlichten Studie in Natur, erklären Wissenschaftler, wie sie intelligente Membranen entwickelt haben, die je nach Umgebung ihre Eigenschaften verändern können und erinnern sich, wie durchlässig sie vorher waren. Das bedeutet, dass sich die Membranen an unterschiedliche Bedingungen in ihrer Umgebung anpassen und, was noch wichtiger ist, ihren Zustand speichern können, eine Eigenschaft, die in vielen verschiedenen Anwendungen ausgenutzt werden kann.
Ein als Hysterese bekanntes Phänomen ist der häufigste Ausdruck von Gedächtnis oder Intelligenz in einem Material. Es bezieht sich auf die Situation, in der die aktuellen Eigenschaften eines Systems von seinem vorherigen Zustand abhängen und in Beziehung stehen. Hysterese wird üblicherweise in magnetischen Materialien beobachtet. Beispielsweise kann ein Magnet mehr als ein mögliches magnetisches Moment in jedem Magnetfeld haben, abhängig von dem Feld, dem der Magnet in der Vergangenheit ausgesetzt war. Hysterese wird jedoch beim molekularen Transport durch künstliche Membranen selten beobachtet.
„Einfache und effektive Lösungen für sauberes Wasser zu finden, ist eine unserer größten globalen Herausforderungen. Diese Studie zeigt, dass grundlegende Erkenntnisse auf molekularer Ebene und Materialien im Nanomaßstab ein großes Potenzial für die Entwicklung „intelligenter“ Membranen für die Wasserreinigung und andere Anwendungen bieten“, sagte Professor Angelos Michaelides von der Universität Cambridge.
In dieser Arbeit hat das Manchester-Team in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Cambridge, der Xiamen University, der Dalian University of Technology, der University of York und der National University of Singapore intelligente Membranen auf Basis von MoS2 (einem zweidimensionalen Material namens Molybdändisulfid) entwickelt ), die sich erinnern können, wie durchlässig sie vorher waren. Die Forscher haben gezeigt, dass die Art und Weise, wie Ionen und Wasser in die Membranen eindringen, durch die Steuerung des externen pH-Werts reguliert werden kann.
Die Membranen ahmen die Funktion biologischer Zellmembranen nach und zeigen ein hysteretisches Ionen- und Wassertransportverhalten als Reaktion auf den pH-Wert, was bedeutet, dass sie sich daran erinnern, welchem pH-Wert sie zuvor ausgesetzt waren. „Die Memory-Effekte, die wir gesehen haben, sind einzigartig für diese Membranen und wurden noch nie zuvor bei anorganischen Membranen beobachtet“, sagte Co-Erstautor Dr. Amritroop Achari von der University of Manchester.
Die Forscher zeigten, dass der biomimetische Effekt genutzt werden könnte, um die autonome Erkennung von Wundinfektionen zu verbessern. Dazu legten sie die Membranen in künstliches Wundexsudat, das Wundflüssigkeit nachahmt, und setzten sie pH-Änderungen aus. Die Membranen ließen das Wundexsudat nur bei pH-Werten durch, die für eine infizierte Wunde relevant sind, wodurch sie als Sensoren für den Infektionsnachweis verwendet werden konnten. Die Forscher sagen, dass die neuen Membranen auch in einer Vielzahl anderer pH-abhängiger Anwendungen eingesetzt werden können, von der Nanofiltration bis zur Nachahmung der Funktion neuronaler Zellen.
Co-Autor Professor Kostya Novoselov, Langworthy Professor an der School of Physics and Astronomy der University of Manchester und Professor am Centre for Advanced 2D Materials der National University of Singapore, sagte: „Die Einzigartigkeit dieser Membran besteht in ihrem hysteretischen pH-Wert Die Reaktion kann als Gedächtnisfunktion angesehen werden, die viele interessante Wege für die Schaffung intelligenter Membranen und anderer Strukturen eröffnet. Forschung in dieser Richtung kann eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung intelligenter Technologien für morgen spielen.“
Mehr Informationen:
CY Hu et al, pH-abhängiges Umschalten der Wasserdurchlässigkeit und ihr Gedächtnis in MoS2-Membranen, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05849-4