Многие производственные процессы основаны на тонких мембранах, которые могут очищать воду, например, отфильтровывая примеси. В последние годы для настройки этих мембран для повышения производительности использовалась технология, называемая осаждением атомных слоев (ALD), но есть одна проблема: многие из них сделаны из материалов, которые не совместимы с ALD, процесс с использованием чередующихся химических паров. создавать очень тонкие слои на поверхности.
Новый метод, разработанный группой, включающей исследователей из Министерства энергетики США (DOE) Argonne National Лаборатория делает возможным ALD практически на любой мембране. Исследователи обнаружили удивительно простое решение: сначала погружать мембраны в дубильную кислоту. Молекулы кислоты прилипают к поверхности мембраны, обеспечивая места зародышеобразования – или точки, в которых покрытие ALD может удерживаться и расти.
Возможность использовать эту технику на типично стойких мембранных материалах дает множество потенциальных улучшений, которые могут улучшить функциональность и долговечность или создать совершенно новые свойства. Работа подробно описана в статье «Осаждение полифенол-сенсибилизированного атомного слоя для гидрофилизации мембранного интерфейса», недавно опубликованной в журнале . Расширенные функциональные материалы .
Многие коммерческие мембраны изготавливаются из обычных пластиков, таких как полипропилен и полиэтилен, которые являются недорогими и относительно прочными. Но при использовании для очистки воды эти полимерные мембраны имеют тенденцию вызывать проблемы. Их поверхности подвержены загрязнению, где загрязняющие вещества накапливаются в их порах и снижают эффективность.
С ALD, a В процессе, обычном для полупроводниковой промышленности, мембраны могут быть изменены, чтобы противостоять загрязнению или приобретать другие желательные свойства. Молекулы, отложившиеся на поверхности, могут проникать сквозь извилистую сеть пор мембраны, чтобы найти все поверхности внутри, создавая исключительно равномерное покрытие.
«ALD, в принципе, замечательно», – сказал Сет Дарлинг, соавтор исследования и директор Центра исследований энергетических границ в Аргоннских передовых материалах для систем энергия-вода (AMEWS). «Проблема в том, что большинство полимеров, которые используются для изготовления мембран, не поддаются покрытию ALD».
В исследовании предварительная обработка дубильной кислотой позволила покрыть водостойкую полимерную мембрану диоксидом титана, превратив ее поверхность в гидрофильную (влаголюбивую). Водоотталкивающий слой создает защитный буфер от загрязнения.
Центр AMEWS, который финансируется Министерством энергетики Управление науки поддержало эту работу в рамках более широких усилий по пониманию и контролю того, что происходит на границе раздела между водой и твердыми материалами. Такое понимание является ключом к улучшению того, как мы обрабатываем и используем воду.
В прошлом исследователи Аргонского месторождения эксплуатировали тот факт, что некоторые полимеры негостеприимны к ALD, создав двухстороннюю мембрану «Janus», с полностью металлооксидным покрытием поверх мембраны и ни с одной стороны. Это последнее исследование – впервые ученые смогли полностью и равномерно повысить чувствительность мембраны к ALD с помощью неразрушающей предварительной обработки.
Argonne разрабатывает методы для увеличения ALD и других возможностей проектирования интерфейсов, чтобы эти методы могли быть оценены для крупных промышленных приложений. «В настоящее время мы используем лабораторные реакторы для этих исследований, но мы создаем инструменты для эффективной обработки ALD субстратов большой площади. Это позволит провести пилотное тестирование наших материалов ALD», – сказал Джеффри Элам, старший химик в Аргонне и соавтор исследования.
Новый метод потенциально может работать не только с дубильной кислотой, но и с любым жидким полифенолом и также с любой полимерной мембраной, которая открывает огромное количество возможностей помимо доказательства концепции, описанной в статье. Помимо водоотталкивающих или водостойких покрытий, ALD можно использовать для создания химически реактивных или электропроводящих материалов.
“Есть целая библиотека вещей, которые вы можете сделать с ALD”, сказал Дарлинг. «Эта техника теперь открывает эту библиотеку для полимерных мембран».