ממברנות פולימריות בעלות תעלות בגודל ננומטרי תוכלנה לשמש במגוון יישומים חשובים, כגון התקנים ללכידת גזי חממה, ייצור דלקים מבוססי-קרינת שמש והתפלת מי-ים. לשם השגת יישומים אלו יהיה צורך לפתח שיטה לייצור ממברנות שכאלו בקנה-מידה מסחרי. חוקרים הצליחו לקדם עתה את התחום באמצעות פיתוח שיטה חדשנית.
חוקרים מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה בארה”ב ומאוניברסיטת קליפורניה (ברקלי) הצליחו לפתח שיטה חדשה שבעזרתה ניתן ליזום התארגנות עצמית של ממברנות פולימריות גמישות בעלות תעלות תת-ננומטריות מסודרות ביותר. שיטה חדשנית זו, המתאימה במלואה לתהליכי ייצור ממברנות מסחריים קיימים, מהווה דוגמא ראשונה לייצור ננו-שפופרות אורגניות המוכללות בממברנה תפקודית לאורך מרחקים מקרוסקופיים.
“השתמשנו בפפטידים טבעתיים המייצרים ננו-שפופרות ובבלוק קו-פולימרים על-מנת להדגים שיטה להתארגנות-משותפת ישירה להכנת ממברנות בעלות נקבוביות תת-ננומטריות,” אמרה החוקרת הראשית Ting Xu.
“שיטה חדשנית זו תוכל לאפשר לנו להכין בעתיד שכבות דקות נקבוביות שאת צורתן וגודלן נוכל לקבוע מראש ע”י המבנה המולקולארי של ננו-השפופרות האורגניות.” ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי ACS Nano.
ממברנות בעלות תעלות הינן אחת מההמצאות החשובות והמתוחכמות ביותר שיצר הטבע. ממברנות המכילות תעלות תת-ננומטריות משמשות כגבול בין החומרים המצויים בתוך התא הביולוגי לבין החומרים המצויים מחוצה לו – בעיקר כתלות בגודל שלהם – ואחראיות לתעבורה של מולקולות וחומרים חיוניים לתוככי, מבעד ומחוץ לתא. בגישה זו טמון פוטנציאל כביר לפיתוח מגוון נרחב של טכנולוגיות חשובות, אולם האתגר הגדול בתחום היה עד כה מציאת אמצעים חסכוניים לסידור מאורגן של תעלות תת-ננומטריות לאורך מרחקים מקרוסקופיים ע”ג מצעים גמישים.
“השגת שליטה ברמה מולקולארית על גודל וצורת החרירים, וכן על כימיית השטח של תעלות בממברנות פולימריות נבדקה בתחומי מחקר רבים, אך עדיין נותרה צוואר-בקבוק משמעותי,” מסבירה החוקרת. “שכבות מחומרים מרוכבים הוכנו כבר באמצעות ננו-שפופרות פחמן חלולות וישנה התקדמות מהירה בתחום. אולם, עדיין קיים אתגר בשליטת הסידור המתאים של ננו-שפופרות אלו למרחקים גדולים.” במחקרם, המדענים השתמשו בננו-שפופרות אורגניות הנוצרות באופן טבעי ע”י פפטידים טבעתיים, ואשר בניגוד לסוגים אחרים, ניתן לשנות את גודלן ואת הסידור המרחבי שלהן במהלך הייצור עצמו. לשם הכנת הממברנה עצמה החוקרים השתמשו בשרשראות ארוכות של מולקולות מונומר מסוג אחד הקשורות לשרשראות מסוג נוסף (בלוק קו-פולימר). בדיוק כפי שפפטידים טבעתיים מתארגנים עצמאית לננו-שפופרות, כך גם הפולימרים מתארגנים למערכים סדורים של ננו-מבנים למרחק רב.
פולימר אשר היה קשור כימית לפפטיד הטבעתי שימש כ”מתווך” המחבר בין שתי מערכות נבדלות אלו המתארגנות עצמאית.
“הפולימר המתווך הוא המפתח להצלחה,” מסבירה החוקרת. “הוא שולט על הממשק שבין הפפטידים הטבעתיים ובין הפולימרים ומתאם את ההתארגנות העצמית שלהם. התוצאה היא שתעלות מסוג ננו-שפופרות מתקבלות רק בתוככי השלד הפולימרי שבממברנה.
החוקרים הצליחו לייצר ממברנות נקבוביות בעלות חרירים בגודל תת-ננומטרי המשתרעים לאורך מספר סנטימטרים ואשר מתאפיינים במערכים צפופים ביותר של תעלות. התעלות נבחנו באמצעות מדידות מעבר של גזים מסוג פחמן דו-חמצני וניאו-פנטאן. המדידות אישרו כי החדירות הייתה גבוהה יותר עבור מולקולות הפחמן הדו-חמצני, הקטנות יותר, מאשר מולקולות הניאו-פנטאן, הגדולות יותר. השלב הבא של החוקרים יהיה לנצל את השיטה הזו בכדי להכין ממברנות דקות יותר.
2 תגובות
איפה ניתן לרכוש יריעות פולימר מולקולרי לסינון מים אפורים ?
מגניב, אנחנו מתקדמים!