(Nanowerk Spotlight) تلعب الأغشية الرقيقة دورًا مهمًا في عملية تحلية المياه حيث يمكنها تحويل أقذر المياه إلى مياه صالحة للشرب لملايين الأشخاص حول العالم (اقرأ المزيد عن دور تقنية النانو في معالجة المياه*).
فصل وتنقية الجزيئات الحيوية مثل البروتينات والفيروسات هي أيضا عمليات مهمة في التكنولوجيا الحيوية والصناعات الدوائية. تتطلب مخاطر التلوث بالفيروسات المعروفة أو غير المعروفة في المنتجات البيولوجية أو العلاجية عمليات إنتاج تقضي تمامًا على مخاطر التلوث بالفيروس.
باستخدام المواد النانوية المتقدمة وتقنيات التصنيع النانوي، تم إحراز تقدم هائل على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية في صناعة أغشية فائقة الرقة استنادًا إلى مجموعة متنوعة من المواد النانوية والتقنيات النانوية المتقدمة. اعتمادًا على نوع هذه المواد، يطلق على الأغشية ذات السماكات المختلفة بأنها “فائقة الرقة” في الأدبيات، وتتراوح من السُمك الذري إلى بضعة ميكرومترات، مع أنّ أن معظم الأعمال تركز على سماكة أقل من 100 نانومتر.
ولمزيد من رقة اﻷغشية لتصل سماكتها لأقل من 50 نانومتر أو حتى المستوى الذري أمر يجذب الباحثين، مع تكمين النفاذية فائقة السرعة ومع الفهم النهائي للتكوين والنقل بسماكة منخفضة للغاية يمكن أن تختلف اختلافًا كبيرًا عن نظيراتها الأكثر سمكا. يمثل تصنيع أغشية السيليكون الرقيقة بسمك 15 نانومتر في عام 2007 بداية هذا العصر الجديد، حيث تم تصنيع غشاء السيليكون المسامي من طريق ترسيب السيليكون وتلدينه والنقش عليه. لمزيد من القراءة راجع موقع “Nature” حول دراسة بعنوان “السيليكون للغشاء المثالي**”.
وتشير المقالة الجديدة المنشورة في دورية Advanced Materials بعنوان (“أغشية رفيعة جدًا لعمليات الفصل: عصر جديد تقوده تقنية النانو المتقدمة***”) إلى أن المشكلة الحاسمة هي كيفية تقليل سمك الطبقات الانتقائية مع الحفاظ على دقة الفصل العالية مع الاستقرار الميكانيكي الكافي.
تتطلب حلول هذا التحدي ما يلي: 1) طرق تصنيع سهلة وفعالة والتي يفضل أن تكون قادرة على التحكم بدقة في السماكة وتجنب العيوب غير الانتقائية ؛ 2) طبقات انتقائية قوية ميكانيكيًا و 3) طبقات دعم مناسبة. بالإضافة إلى ذلك ، في ضوء التطبيقات العملية والتسويق ، فإن حجم المسام الموحد والمسامية العالية والاستقرار الكافي والتكلفة المقبولة هي أيضًا عوامل مهمة يجب أخذها في الاعتبار. وبالتالي فإن المواد والتقنيات المتقدمة هي مفاتيح لتحقيق سماكة أقل من 50 نانومتر للأغشية التي تفصل الجزئيات الحيوية .
في مراجعتهم، قدم المؤلفون مراجعة شاملة للأغشية تحت 50 نانومتر، من طرق التصنيع، وهياكل الأغشية إلى التطبيقات. لهذا الغرض، يقومون بتصنيف الأغشية إلى هياكل شبكية وطبقية وأطر عمل.
تحتوي المراجعة في المقالة على وصف تفصيلي لكيفية تطوير المواد الجديدة والطرق المتقدمة لتقليل سماكة الأغشية وظواهر النقل الجماعي المثيرة للاهتمام عبر الطبقات فائقة النحافة، مع الاهتمام بالعوامل الأخرى المتعلقة بالتطبيقات العملية، أي بنية المسام والاستقرار وقابلية التوسع.
تشتمل غالبية الأغشية التي يبلغ طولها أقل من 50 نانومتر والتي تم إثباتها تجريبياً حتى الآن في أكثر من 100 منشور على أغشية رفيعة ذرية نانوية (NATMs ، 0.335 نانومتر) التي تعتمد على الجرافين، وأكسيد الجرافين (حتى 1.8 نانومتر) ، أغشية البولي أميد (<10 نانومتر)، الأطر المعدنية العضوية “MOFs، مادة خزفية “MXenes” ، الأطر العضوية التساهمية “COFs”، وثاني كبريتيد الموليبدينوم “MoS2”.
تختلف طرق تصنيع كل غشاء رقيق من حالة إلى أخرى ، ولكن يمكن تقسيمها عمومًا إلى نوعين: التجميع الكيميائي والتجميع الفيزيائي اعتمادًا على التفاعلات بين وحدات بناء الأغشية. التجميع الكيميائي مثل النمو في الموقع والتوليف البيني، يشير إلى العملية التي يتم فيها تشكيل الطبقة الانتقائية مباشرة على سطح طبقة الدعم أو على واجهة محلولين غير قابلين للامتزاج من خلال روابط تساهمية أو روابط غير تساهمية قوية نسبيًا مثل التنسيق المعدني. يدل التجميع الفيزيائي أن الطبقة الانتقائية، التي تم تشكيلها خارج الموقع، يتم نقلها أو تغليفها أو تكديسها على طبقة الدعم من خلال روابط غير تساهمية داخل الجزيئية ضعيفة نسبيًا مثل قوة فان دير فال و التراص π-π. يمكن تقسيم طرق التصنيع هذه إلى المزيد من النقل والطلاء والتقطير.
تجميع طبقة تلو طبقة (LBL) من التفاعلات الكيميائية بين الكواشف تقع أيضًا في هذه الفئة. قد يشمل كلا من التفاعلات التساهمية وغير التساهمية وبالتالي يمكن أن يندرج في فئات كل من التجميعات الكيميائية والفيزيائية.
يناقش القسم الأخير من المقالة تطبيقات الأغشية دون 50 نانومتر في الغازات ذات الصلة بالصناعة (تنقية H2 ، التقاط ثاني أكسيد الكربون) وفصل السوائل (التناضح العكسي، الترشيح النانوي) مع التركيز على المتطلبات التجارية. في ملاحظاتهم الختامية، تناول المؤلفون العديد من التحديات والقيود التي لا تزال بحاجة إلى التغلب عليها، مثل الإجراءات المعقدة والمواد الخام باهظة الثمن التي تقيد بشدة توسيع نطاق إنتاجها؛ فيما يتعلق بالاستقرار باعتباره مصدر قلق بالغ في العمليات التصنيعية، يجب إثبات المتانة طويلة المدى لمعظم الأغشية الرقيقة بوضوح؛ يجب فحص الأغشية الرقيقة في ظروف الفصل التجريبية للكشف عن إمكاناتها المناسبة للعملية؛ وأخيرًا ، يجب أن تسترشد التطورات المستقبلية بفهم أساسي في النقل الجماعي بسماكة منخفضة للغاية.
بقلم مايكل بيرجر – الترجمة من قبل نادي نانو – رابط المقال: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=60357.php
الهوامش:
*Nanotechnology and water treatment على الرابط: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=4662.php
**Silicon for the perfect membrane على الرابط: https://www.nature.com/articles/445726a
*** Ultrathin Membranes for Separations: A New Era Driven by Advanced Nanotechnology على الرابط https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108457
