Innowacyjną metodę tworzenia specjalnych membran polimerowych o precyzyjnych rozmiarach porów opracowali naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego. Ich odkrycie może się przyczynić do rozwoju procesów filtracji membranowej i magazynowania energii.
Dwuwymiarowe COF-y (z ang. Covalent-Organic Frameworks) to krystaliczne, organiczne sieci polimerowe, w których występują dynamiczne wiązania chemiczne. Cechą charakterystyczną tych materiałów jest precyzyjnie określona struktura i rozmiar porów. Dzięki tej budowie mogą być używane w chemii i inżynierii materiałowej jako bardzo wydajne membrany molekularne. Gęsto usieciowana struktura COF-ów powoduje jednak, że są one niemożliwe do przetwarzania.
We współpracy z Max Planck Institute for Solid State Research, Ludwig-Maximilians-Universität München i University of Strasbourg, naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego opracowali nową metodę syntezy membran polimerowych. Kontrolując proces polimeryzacji wykazali, że synteza COF-ów może przebiegać na dwa sposoby – termodynamiczny i kinetyczny.
Jak wskazują badacze, zazwyczaj te dwa mechanizmy konkurują ze sobą, co prowadzi do powstania materiału o niekorzystnych właściwościach. W odpowiednich warunkach można jednak kontrolować, który mechanizm dominuje, co pozwala uzyskać specjalny produkt. W przeciwieństwie do typowych COF-ów zachowuje on zwiększoną zdolność do przetwarzania.
Wykorzystując ścieżkę kinetyczną, struktura membrany powstaje spontanicznie pod wpływem naprężeń związanych z odparowaniem rozpuszczalnika. Tak uformowana membrana może następnie zostać łatwo przekształcona w termodynamicznie trwałą, krystaliczną i wysoko porowatą strukturę.
Nasze membrany, dzięki unikalnemu sposobowi wytwarzania, mają wyjątkowe cechy budowy i są bardzo wytrzymałe. Potrafią znieść siły, które są 20 tys. razy większe od ich wagi – wyjaśnia dr inż. Wojciech Danowski i dodaje: – Sam proces produkcji membran jest prosty. Wystarczy nanieść roztwór monomerów na podłoże, a opisane zjawiska zachodzą samorzutnie. To sprawia, że ta metoda jest innowacyjna i można ją łatwo zastosować na dużą skalę.
Odkrycie daje nowe możliwości w tworzeniu membran molekularnych. Mogą one być używane w przemyśle chemicznym, medycznym i energetycznym. Dzięki dokładnej kontroli kształtu porów można stworzyć bardzo cienkie, mocne i dobrze uformowane membrany. Mogą one działać jako filtry molekularne, separatory jonowe lub części nowoczesnych ogniw paliwowych.
Artykuł dotyczący wyników badań naukowców z UW został opublikowany w „Nature Synthesis”.
źródło: UW