來自CSIR-中央鹽與海洋化學品研究所（CSMCRI）、印度甘地訥格爾理工學院（IITGN）、新加坡南洋理工大學和SN Bose國家基礎科學中心的研究團隊開發了一種新型高精度過濾膜。研究成果發表在期刊上 美國化學會雜誌描述了可以幫助工業減少能源使用並顯著增加水再利用的技術。
許多工業活動依賴不同物質的相互分離。這些分離過程對於藥物純化、紡織染料處理和食品生產等任務至關重要。然而，它們是製造業中耗能最多的作業之一，約佔全球工業能源消耗的 40% 至 50%。
大多數裝置仍然依賴傳統方法，例如蒸餾和蒸發。儘管有效，但這些方法需要大量能源，並且會顯著增加碳排放。基於薄膜的過濾被認為是一種更清潔的替代方案，但傳統的聚合物薄膜具有尺寸不規則的孔。隨著時間的推移，這些孔隙會改變形狀或降解，從而降低性能並限制其在惡劣的工業環境中的用途。
具有一奈米孔隙的受自然啟發的 POM 膜
CSMCRI 高級科學家 Shilpi Kushwaha 博士說：“為了解決這些限制，我們設計了一種名為‘POMBranes’的新型超選擇性結晶膜，其孔隙為一奈米寬，比人類頭髮細數千倍。”
新的薄膜透過精確尺寸的通道調節分子的運動來激發生物系統，例如水通道蛋白。為了實現這種控制水平，研究人員使用了多金屬氧酸鹽（POM）簇。每個簇都有一個自然產生的孔徑，寬度剛好為 1 奈米，並且保持永久穩定。
CSMCRI 研究生、該論文的第一作者 Priyanka Dobariya 女士表示：“這些 POM 是小型冠狀金屬簇，中心有一個永久、完美的孔，不會改變或變形，這是傳統塑料過濾器的最大障礙。”
超薄分子篩的構建
為了製造實用的薄膜，必須將數十億個微小的環狀結構排列成連續、完美的層。為了實現這一目標，研究人員將柔性化學鏈附加到 POM 簇上。
當修飾後的團簇被放置在水面上時，它們會自然擴散並組織成大面積的超薄膜。透過改變連接鏈的長度，該團隊能夠控制簇組裝的緊密程度。
IITGN 材料工程系副教授 Raghavan Ranganathan 博士補充說：“這迫使分子通過單個開放路徑穿過膜，穿過每個簇中的一奈米孔，使膜起到高科技篩子的作用。”
Ranganathan 博士和論文的第一作者、IITGN 博士 Vinay Thakur 博士也進行了分子水平模擬，揭示了膜如何發揮其過濾功能。
分離性能提高近十倍
測試表明，這種薄膜可以分離小至 100-200 道爾頓的分子，這是傳統聚合物薄膜很難達到的精度水平。
CSMCRI 首席科學家 Ketan Patel 博士表示，這種能力可以為永續製造流程創造新的機會。
「與現有技術相比，我們的膜的分離性能提高了近十倍，同時保持了靈活性、穩定和可擴展性，」他說。
「此外，這些膜具有柔韌性，在不同的酸度（pH 範圍）下保持穩定，並且可以製成大片材。如果要在工業中廣泛使用膜，這種組合至關重要。”
對紡織品和水循環利用的潛在好處
該技術對印度的紡織和製藥業尤其有價值，這兩個行業在印度經濟中發揮重要作用。
印度紡織服裝業貢獻了超過2.3%的GDP和約13%的工業產值。目前國內市場價值為160-2.25億美元，預計到2030年將擴大到250-3.5億美元。
織物染整操作會產生大量受污染的廢水，使染料去除和水回用成為持續的挑戰。新膜可以選擇性地去除染料分子，同時實現水循環利用，減少淡水需求和化學廢物。隨著印度廢水處理市場的持續成長，這一優勢顯得尤為重要。
在醫藥製造業的應用
膜有利於藥品生產，其中非常精確的分離對於產品品質和生產效率至關重要。
「藥物純化和溶劑回收等過程非常消耗能源，而且對品質非常敏感，」Vinay Thakur 先生說。 “像這樣的高選擇性膜可以減少能源消耗，同時保持藥品生產所需的嚴格標準。”
永續製造的平台技術
研究人員將新型 POM 膜描述為一種多平台技術。它們的可調結構、高選擇性和耐受惡劣化學環境的能力使它們適用於從廢水處理到先進化學品製造的各種工業分離任務。
隨著各行業越來越多地尋求兼具效率、耐用性和可持續性的技術，分子工程膜可能成為下一代製造系統的重要組成部分。透過應用生物學的常見原理，在分子尺度上微調控制並使其適應可擴展的材料技術，研究人員展示了受自然啟發的設計如何幫助解決重大工業挑戰。
