Membrany do filtracji wody mają kształt komórek

Morfologia to naturalny sposób konstruowania różnorodnych struktur i funkcji ze stałego zestawu komponentów. Podczas gdy przyroda jest bogata w przykłady morfologii – na przykład różnicowanie komórek, rozwój embrionalny i tworzenie cytoszkieletu – badania nad tym zjawiskiem w materiałach syntetycznych są skąpe. Naukowcy z University of Illinois z Urbana-Champaign idą o krok dalej, wykorzystując tomografię elektronową, teorie dynamiki płynów i uczenie maszynowe, aby obserwować, jak miękkie polimery uczą się od natury.

Nowe badanie, prowadzone przez Qian Chen, profesora materiałoznawstwa i inżynierii; Ji Feng, profesor nauk mechanicznych i inżynierii; I Xiao Su profesor inżynierii chemicznej i biologicznej molekularnej. Jako pierwszy zademonstrował morfologię w nanoskali w sztucznym materiale. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie postęp naukowy.

powiedział Hyosung Ahn, były badacz podoktorancki w Illinois, główny autor badania i profesor inżynierii materiałów petrochemicznych na Narodowym Uniwersytecie Chonnam w Korei Południowej. „Robiąc zdjęcia próbek membran ze stołu obrotowego, możemy zrekonstruować całą morfologię 3D z rozdzielczością mniejszą niż nanometr”.

Obrazowanie pod różnymi kątami pozwala naukowcom zobaczyć złożoną strukturę 3D błon – ze wszystkimi ich grudkami, wewnętrznymi pustkami i sieciami – z rozdzielczością przestrzenną, która nie była wcześniej możliwa. Struktury są tak złożone, że tradycyjne deskryptory kształtu, takie jak promień i długość, są nieważne, powiedział Chen, który kierował eksperymentalną częścią badania.

Aby pomóc członkom zespołu poznać złożoną naturę membran, doktoranci John W. Smith i Lihan Yao opracowali przepływ pracy oparty na uczeniu maszynowym do digitalizacji parametrów struktury.

Wysiłki Smitha i Yao przyniosły natychmiastowy skutek.

„Widzimy podobieństwa morfologiczne między sztucznymi błonami a systemami biologicznymi” – powiedział Feng, który kierował dynamiką płynów i modelowaniem interakcji z badaczem podoktoranckim Bingqiang Ji. „Przetestowaliśmy kilka modeli i znaleźliśmy niesamowitą zgodność ilościową z tradycyjnymi teoriami, które wyjaśniają struktury w makroskopowych układach biologicznych, takich jak wzory na skórze ryb. Cząsteczki są inteligentne i spodziewamy się, że podobne formacje wystąpią w innych miękkich materiałach polimerowych – nie mam narzędzia, aby to zobaczyć”.

„Efekt wykracza poza mechanistyczne zrozumienie” — powiedział Su, który wraz z doktorantem Stephenem Coty kierował badaniami nad separacją membran. Jedną ze starożytnych tajemnic nauki o segregacji było powiązanie morfologii błony z wydajnością. Nasze badanie łączy szczegółowe zrozumienie morfologii w nanoskali z testem filtracji membranowej, z ważnymi implikacjami dla różnych kontekstów rozdziału. „

Badacze przewidują szeroki zakres zastosowań tego opracowania, które mogą rozszerzyć funkcjonalność miękkich nanomateriałów, takich jak polimery, pęcherzyki, mikrożele i kompozyty – wszystko poprzez morfologię.

„Dzięki kształtowaniu nanomorfologii 3D podczas formacyjnych reakcji chemicznych, postęp ten przyniesie korzyści przy projektowaniu innych materiałów o złożonych kształtach 3D” – powiedział Chen. „Technologie stojące za urządzeniami, takimi jak uruchamiane nanomaszyny i inne materiały inspirowane biologią z precyzyjną trójwymiarową morfologią międzyfazową, których kształty mogą wpływać na interakcje biologiczne, mogą rozwijać się dzięki naszym odkryciom”.

Artykuł naukowy „Mechanizm i wydajność dla tworzenia nanoform w filmach poliamidowych ujawniony przez obrazowanie ilościowe 3D i uczenie maszynowe” został opublikowany przez postęp naukowy.