2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Amerikanische Wissenschaftler haben eine neuartige Flüssigkeitsmembran entwickelt, die Partikel von Bruchteilen eines Millimeters bis hin zu mehreren Zentimetern Größe trennt. Diese Membran ist ein wässriger Film mit Tensidzusatz und lässt große Partikel durch, während kleine Partikel zurückgehalten werden. Ein solches Gerät kann nicht nur zum Sortieren von Partikeln verwendet werden, sondern auch als Barriere gegen Staub und kleine Insekten oder bei offenen Operationen, schreiben Wissenschaftler in Science Advances.
Die Trennung von Feststoffpartikeln nach Größe und Masse ist eine wichtige Aufgabe in sehr vielen technologischen Prozessen: von der Wasserreinigung bis zur medizinischen Analytik. Der einfachste Ansatz für diese Sortierung besteht darin, feste Filtermembranen mit bestimmten Porengrößen herzustellen. Solche Systeme sind wirklich effektiv, haben aber mehrere Nachteile. Erstens begrenzen sie beim Filtern kleiner Partikel die Durchflussmenge des zu filternden Mediums erheblich. Zweitens arbeiten solche Membranen immer nur in einem Modus: Große und schwere Partikel werden auf der Membran zurückgehalten, während kleine durch sie hindurchtreten. In Situationen, in denen große Flüssigkeitsmengen gefiltert oder kleine Partikel auf der Membran zurückgehalten werden müssen, muss entweder auf grundlegend andere Verfahren zurückgegriffen werden (z) oder neue Filtertypen zu entwickeln.
Um beispielsweise kleine Objekte zu halten und große Objekte zu übertragen, schlugen amerikanische Chemiker unter der Leitung von Tak-Sing Wong von der Pennsylvania State University vor, eine flüssige Membran zu verwenden, die ihre Form nach dem Durchgang durch jedes Partikel vollständig wiederherstellen kann. Diese Membran ist ein dünner Film, der aus zwei Komponenten besteht: einer Basisflüssigkeit und einem Tensid. Die Hauptaufgabe bei der Herstellung einer solchen Membran besteht darin, die Zusammensetzung so zu wählen, dass die Flüssigkeit die erforderliche Oberflächenspannung aufweist. In diesem Fall verwendeten die Wissenschaftler einfaches deionisiertes Wasser, dem als Tensid Natriumdodecylsulfat zugesetzt wurde. Die Konzentration von Dodecylsulfat in Wasser wurde so variiert, dass die Oberflächenspannung von 35 bis 72 Millinewton pro Meter variierte.
Zur Herstellung einer Membran wurde ein Film dieser Lösung in einen Aluminiumring mit einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter gespannt. Um abzuschätzen, wie unterschiedliche Partikel diese Membran passieren werden, wurden Kugeln mit einem Durchmesser von Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Zentimetern darauf geschleudert, sodass die Geschwindigkeit der Kugeln beim Aufprall auf eine Flüssigkeit nicht mehr als zwei Meter pro Sekunde betrug. Es stellte sich heraus, dass dieser Film keine kleinen Partikel mit einer Größe von nur wenigen Millimetern durch sich selbst hindurchtreten lässt (diese Partikel bleiben darauf), aber gleichzeitig lässt er schwere Kugeln durch sich selbst hindurch, wonach er vollständig ist restauriert. Die Schwellengröße betrug bei Folien 3–4 mm und variierte je nach Oberflächenspannung. Darüber hinaus hing das Endergebnis – ob das Partikel den Film durchdringt oder nicht – von der Zusammensetzung der Oberfläche des Balls (dh seiner Hydrophilie) und seiner Geschwindigkeit ab. Daher können Sie durch Variieren dieser drei Parameter den Schwellenwert verschieben. Die Viskosität der Flüssigkeit hat jedoch, wie sich herausstellte, praktisch keinen Einfluss auf die Übertragung von Partikeln.
Die offensichtlichste Anwendung einer solchen Membran besteht darin, große Partikel von kleinen zu trennen. Solche Filme können jedoch für andere Zwecke verwendet werden. Mit einer solchen Folie kann beispielsweise ein Gerät zum Schutz vor Staub oder kleinen Insekten hergestellt werden - kleine Mücken fliegen nicht hindurch und bleiben im Wasser stecken. Aber Bienen oder Hummeln können diese Barriere durchaus überwinden.
Membran als Schutz gegen kleine Insekten
Darüber hinaus kann eine solche Membran zum Auffangen kleiner Partikel und zur Selbstreinigung verwendet werden: Da die Oberfläche der Flüssigkeit beweglich ist, werden diejenigen Partikel, die nicht durch sie hindurchfliegen, nach und nach an eine der Wände genagelt, von wo sie gesammelt werden können und entfernt.
Membran als Vorrichtung zum Auffangen kleiner Partikel
Darüber hinaus kann die gleiche Folie laut Wissenschaftlern auch zum Schutz vor Kontaminationen bei offenen Operationen verwendet werden. Ein Skalpell oder eine Pinzette können die Folie leicht passieren, ohne sie zu zerstören, gleichzeitig verhindert die Membran jedoch, dass Schmutz in die zu operierenden Weichteile eindringt.
Modellchirurgie an Weichteilen, die durch eine Flüssigkeitsmembran durchgeführt wird. Geschwindigkeit vervierfacht
Eine weitere mögliche Anwendung einer solchen Membran ist der Schutz vor unangenehmen Gerüchen. Wie kleine Partikel passieren einzelne Gasmoleküle diese Membran nicht, sodass sie beispielsweise in Abfallsammel- und -speichersystemen oder in Toiletten verwendet werden kann.
Laut den Autoren der Arbeit macht ein so breites Anwendungsspektrum dieser einfachen Membran sie für medizinische, wissenschaftliche und verschiedene technologische Probleme äußerst vielversprechend. In diesem Fall ist es jedoch wichtig, die Betriebszeit des Systems zu berücksichtigen - da die Flüssigkeit ständig verdunstet, muss sie mit Wasser an den Tanks befestigt werden - dies ermöglicht die Verwendung der Folie, die ständig unterliegt mechanischer Belastung, für drei Stunden.
Ein weiteres beliebtes Verfahren zum Trennen von Partikeln mithilfe von Flüssigkeiten ist das mikrofluidische Sortieren. In dünnen Kanälen mit einer Dicke von nur wenigen zehn Mikrometern können Partikel nach ihrer Größe (zum Beispiel mit Hilfe des Elektroosmose-Effekts) oder Form (zum Beispiel mit einem Magnetfeld) aufgeteilt werden.
