Une équipe de l'Université Queen Mary de Londres, de l'Imperial College de Londres (Royaume-Uni), de l'Université Northwestern d'Evanston (États-Unis) et de l'Université de Bielefeld (D) a produit une nouvelle race de nanomembranes polymères avec des molécules macrocycliques supramoléculaires alignées. Ces nouvelles nanomembranes présentent des propriétés qui promettent d'améliorer l'efficacité des procédés de séparation largement utilisés dans les industries chimiques et pharmaceutiques.

Les industries chimiques et pharmaceutiques conventionnelles utilisent 45 à 55 % de leur consommation totale d'énergie lors de la production dans les séparations moléculaires. Afin de rendre ces processus plus efficaces, rentables, respectueux de l'environnement et donc durables, ces processus doivent être partiellement ou totalement remplacés par de nouvelles stratégies de séparation qui utilisent des technologies membranaires innovantes et révolutionnaires.

Publication de leurs résultats dans la revue Nature , l'équipe montre que leurs nanomembranes polymères avec des macrocycles supramoléculaires alignés présentent de superbes propriétés de filtration extrêmement sélectives qui dépassent les nanomembranes polymères conventionnelles actuellement utilisées dans les industries chimiques et pharmaceutiques. Les nanomembranes polymères conventionnelles ont une large distribution de la taille des pores qui manque d'un moyen contrôlable pour être ajustée avec précision.

Dans cette nouvelle génération de nanomembranes polymères, les macrocycles moléculairement prédéfinis sont alignés pour fournir des pores inférieurs au nanomètre en tant que passerelle de filtration très efficace qui sépare les molécules avec une différence de taille aussi faible que 0,2 nm. Les chercheurs montrent que l'arrangement, l'orientation et l'alignement de ces petites cavités pourraient être réalisés par des molécules de macrocycle sélectivement fonctionnalisées, dans lesquelles le bord supérieur avec des groupes hautement réactifs est préférentiellement tourné vers le haut pendant la réaction de réticulation. L'architecture orientée des macrocycles dans les nanomembranes a pu être vérifiée par diffusion des rayons X à grand angle d'incidence rasante (GI-WAXS). Cela nous permet pour la première fois de visualiser les pores du macrocycle sub-nanométrique sous microscopie à force atomique à haute résolution dans un ultravide, prouvant le concept d'exploitation de différentes tailles de nanopores en utilisant différentes identités de cyclodextrine avec une précision d'Angstrom.

En tant que preuve de concept fonctionnelle, ces nanomembranes sont appliquées à des séparations pharmaceutiques de grande valeur pour enrichir l'huile de cannabidiol (CBD), présentant une perméance à l'éthanol et une sélectivité moléculaire plus élevées que les membranes commerciales de pointe. Ce nouveau concept offre des stratégies réalisables pour orienter les matériaux poreux dans les nanopores des membranes qui peuvent fournir des séparations moléculaires précises, rapides et économes en énergie.

Le Dr Zhiwei Jiang, désormais Fellow EPSRC Future Leadership chez Exactmer Ltd U.K., a déclaré :« La demande de produits pharmaceutiques dérivés du CBD a augmenté rapidement, en raison de leur grande efficacité dans le traitement de la dépression, de l'anxiété et du cancer. Les techniques de pointe pour séparer les molécules de CBD des extraits sont coûteuses et gourmandes en énergie. Les membranes peuvent offrir une alternative rentable et économe en énergie, mais nécessitent des séparations précises entre le CBD et d'autres composants naturels de dimensions similaires dissous dans le solvant de l'extrait. Par conséquent, un contrôle précis de la taille des pores de la membrane est essentielle à cette opportunité.

"Dans notre travail, la taille des pores des membranes de macrocycle alignées peut être réglée avec précision à la précision d'Angstrom, ce qui a permis un transport de solvant d'un ordre de grandeur plus élevé et un enrichissement trois fois plus élevé en CBD que les membranes de référence commerciales. Cela étend le grand potentiel d'application membranes dans les industries à haute valeur ajoutée qui nécessitent une sélectivité moléculaire précise."

"Ce travail n'aurait certainement pas été possible sans les contributions de nos collaborateurs aux États-Unis et en Allemagne. Ils ont fourni les preuves clés montrant l'alignement des macrocycles (technique GIWAXS des États-Unis) et la visualisation des pores des macrocycles alignés (technique AFM d'Allemagne). ). Leurs résultats sont importants pour vérifier la conception moléculaire et offrir une compréhension fondamentale de ces membranes, et nous chercherons davantage d'opportunités de collaboration à l'avenir." + Explorer plus loin

Membranes brûlantes pour tamisage moléculaire