Les matériaux auto-assemblés sont attrayants pour les matériaux de nouvelle génération, mais leur potentiel à s'assembler à l'échelle nanométrique et à former des nanostructures (cylindres, lamelles, etc.) reste un défi. Dans un récent rapport, Xundu Feng et ses collègues des départements interdisciplinaires de génie chimique et environnemental, génie biomoléculaire, la chimie et le centre des matériaux avancés de faible dimension aux États-Unis, La France, Japon et Chine, proposé et démontré une nouvelle approche pour prévenir les défis existants. Dans l'étude, ils ont exploré le transport sélectif par taille dans le milieu continu dans l'eau d'un modèle de polymère nanostructuré formé à l'aide d'un H lyotrope auto-assemblé 1 (de forme cylindrique hexagonale) mésophase (état de la matière entre liquide et solide). Ils ont optimisé la composition de la mésophase pour faciliter la rétention haute fidélité du H 1 structure sur la réticulation photoinduite.

Le matériau polymère nanostructuré résultant était mécaniquement robuste avec des nanofibrilles réticulées intérieurement et extérieurement entourées d'un milieu aqueux continu. L'équipe de recherche a fabriqué une membrane avec une sélectivité de taille à l'échelle de 1 à 2 nm de longueur et des perméabilités à l'eau d'environ 10 litres m ^-2 heure ^-1 bar ^-1 m. Les membranes ont montré d'excellentes propriétés antimicrobiennes pour une utilisation pratique. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques et représentent une percée pour l'utilisation potentielle de la nanofiltration à base de membranes auto-assemblées dans des applications pratiques de purification de l'eau.

La séparation membranaire pour la filtration est largement utilisée dans diverses applications techniques, y compris le dessalement de l'eau de mer, séparation de gaz, préparation des aliments, les piles à combustible et les domaines émergents de la production et de la distillation durables d'électricité. Lors de la nanofiltration, les solutés dissous ou en suspension d'une taille de 1 à 10 nm peuvent être éliminés. Les nouvelles membranes de nanofiltration sont particulièrement intéressantes pour le traitement à faible coût des eaux usées afin d'éliminer les contaminants organiques, notamment les pesticides et les métabolites des médicaments pharmaceutiques. Les membranes de l'état de l'art souffrent actuellement d'un compromis entre la perméabilité et la sélectivité, une perméabilité accrue pouvant entraîner une sélectivité réduite et vice-versa. Étant donné que le compromis provient des limites structurelles intrinsèques des membranes conventionnelles, les scientifiques des matériaux ont incorporé des matériaux auto-assemblés comme une solution attrayante pour réaliser une séparation hautement sélective sans compromettre la perméabilité.

Par exemple, les copolymères séquencés (BCP) et les cristaux liquides à petites molécules (LC) peuvent s'auto-assembler en une série de formes mésophasiques avec des domaines périodiques à l'échelle nanométrique pour contenir des tailles et des formes thermodynamiquement définies. Les nanostructures bien ordonnées trouvées dans les BCP et les LC sous forme de cylindres, les lamelles et les gyroïdes sont des modèles attrayants pour fabriquer des membranes à nanopores. Les matériaux d'auto-assemblage pourraient fournir des modèles utiles pour contrôler l'organisation d'objets discrets tels que les protéines des canaux d'eau ou les nanotubes, fonctionner comme des pores de nanofiltration. Bien que les membranes à nanopores aient montré une sélectivité et une perméabilité élevées pour la nanofiltration et l'ultrafiltration, les scientifiques ont rencontré des défis au cours de leur développement pratique.

Dans le travail present, Feng et al. a développé une approche évolutive pour obtenir des membranes de nanofiltration hautement perméables et sélectives avec des propriétés anti-salissures attrayantes pour les activités antimicrobiennes. La membrane contenait des nanofibrilles moléculaires ordonnées de manière hexagonale réalisées par réticulation d'une LC lyotrope cylindrique directe. La membrane était mécaniquement robuste et résistante à la fois à la déshydratation et au gonflement dû à un excès d'eau. La structure auto-assemblée a fourni un espacement uniforme et bien défini entre les nanofibrilles pour une sélectivité membranaire élevée et une complexité membranaire réduite, s'écartant du travail signalé précédemment. Les nouvelles caractéristiques distinguent les membranes des membranes nanostructurées dérivées des CL lyotropes rapportées à ce jour, offrir une voie vers la nanofiltration pratique.

Pour former un H polymérisable 1 mésophase avec de l'eau, l'équipe de recherche a utilisé un tensioactif cationique, Bromure de 2-(méthacryloyloxy)éthyl tétradécyl diméthyl ammonium (METDAB) aux côtés d'agents de réticulation supplémentaires de diméthacrylate d'éthylène glycol (EG-DMA) et de diméthacrylate d'oligo(éthylène glycol) (OEG-DMA). L'équipe de recherche a synthétisé le monomère tensioactif ou surfmer dans une réaction de Menshutkin en une seule étape et formé H 1 phases à température ambiante en utilisant des concentrations de METDAB allant de 55 à 80 % en poids.

Ils ont effectué des caractérisations structurelles détaillées à l'aide de la diffusion des rayons X aux petits angles à haute résolution (SAXS) avec une microscopie à haute résolution pour vérifier la rétention de l'H 1 mésophase après réticulation initiée par UV. Ils ont optimisé la composition pour développer 70 pour cent en poids de METDAB avec 22,8 pour cent en poids d'eau, 5,4 pour cent en poids d'OEG-DMA et 1,8 pour cent en poids d'EG-DMA avec photoinitiateur pour former une stabilité, H homogène 1 gel de mésophase. L'échantillon de gel résultant a montré une excellente transparence pour conserver son intégrité après immersion dans l'eau pendant 24 heures pour une résistance à l'effondrement structurel dû au gonflement de l'eau. Feng et al. obtenu une image MET haute résolution de l'échantillon pour observer un réseau ordonné de nanofibrilles hexagonales emballées affichant une symétrie d'ordre six.

La nature continue de l'eau de l'auto-assemblé, réticulé H 1 la mésophase et sa résilience mécanique étaient intéressantes pour l'application membranaire, que Feng et al. testé comme preuve de concept. Pour ça, ils ont produit une membrane en réticulant un film mince de l'H 1 mésophase avec exposition aux UV, sur une source commerciale, membrane d'ultrafiltration en polyacrylonitrile (PAN). Ils ont ensuite imagé le H 1 /PAN composite à l'aide d'un microscope électronique à balayage (MEB) et testé la morphologie de surface en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). Lors des expérimentations, les membranes composites ont montré une forte sélectivité en taille vis-à-vis des molécules de colorants organiques chargées. Sur la base des données de transport, Feng et al. ont montré que la membrane pouvait séparer efficacement les solutés sur la base de leur taille et de leur charge.

Les chercheurs proposent des investigations supplémentaires pour mettre en évidence la frontière entre les mécanismes de diffusion poreuse et en solution dans les membranes polymères. Par exemple, la perméabilité à l'eau a diminué jusqu'à 50 pour cent lorsqu'ils ont filtré des solutés chargés mais est restée inchangée en présence de solutés naturels. Les perméabilités et la fonction des nanomembranes auto-assemblées développées dans l'étude se comparent favorablement aux membranes de nanofiltration commerciales telles que Dow FILMTEC NF90-400. L'équipe de recherche a observé des groupes d'ammonium quaternaire face à l'eau sur les nanofibrilles pour représenter un comportement anti-encrassement biologique en raison des propriétés antimicrobiennes bien établies des groupes fonctionnels. Ils ont étudié le potentiel de comportement anti-biofouling de H 1 membranes à l'aide d'un test de dénombrement standard des unités formant des colonies (UFC).

Lors des expérimentations, ils ont gardé des membranes PAN (groupe témoin) ou H 1 membranes en contact avec des bactéries à Gram négatif (Escherichia coli) en suspension pendant 3 heures. Quand ils ont soniqué les membranes légèrement dans une solution saline, les bactéries se sont détachées des surfaces pour une culture ultérieure sur gélose et une incubation d'une nuit. Les résultats ont montré le nombre de cellules E. coli viables sur le H 1 membrane soit 3 ordres de grandeur plus petite que le témoin, prouver l'activité anti-biofouling des membranes. Les résultats ont confirmé une forte réponse antimicrobienne pour H 1 , comme prévu en raison de la présence de groupes ammonium quaternaire.

De cette façon, Xundu Feng et ses collègues ont rapporté une approche simple pour concevoir des membranes de nanofiltration polymères avec une structure unique de réseaux de nanofibrilles ordonnés. Dans l'approche, ils ont utilisé un réticulable, lyotrope continu dans l'eau H 1 modèle de mésophase pour créer la morphologie d'intérêt. Ils ont suivi l'étape d'ingénierie avec systématique, techniques de caractérisation des matériaux pour confirmer la formation de nanostructures hautement ordonnées avec une haute fidélité pour la robustesse mécanique. Le présent travail a été le premier à imager directement le lyotrope polymérisé H 1 mésophase.

Les scientifiques ont synthétisé les principales espèces constitutives du système METDAB en une seule étape, en utilisant des réactifs facilement disponibles et peu coûteux. A l'aide de la membrane, ils ont démontré clairement, sélectivité basée sur la taille avec des colorants moléculaires comme solutés modèles, à côté des perméabilités à l'eau d'environ 10 litres m ^-2 heure ^-1 bar ^-1 m. L'équipe de recherche vise à optimiser les procédures de fabrication pour fournir des couches sélectives plus minces en modifiant la chimie de surface des nanofibrilles pour la nanofiltration et le traitement de l'eau à l'aide de membranes antimicrobiennes dans des applications pratiques.

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