Filtern mit Muschelpower
Ein „Ionensieb“ aus dem Material „Polydopamin“ könnte in Zukunft die Herstellung effizienter Filter erlauben, die auch nach chemischen Eigenschaften filtern können.
© Max-Planck-Institut für Polymerforschung
Nanomembran ermöglicht effizientes Filtern von Ionen aus Flüssigkeiten.
Filter spielen in vielen Bereichen des Lebens eine wichtige Rolle – vom Kaffeefilter bis zur Reinigung von Flüssigkeiten. Forschende des Max-Planck Instituts für Polymerforschung haben nun einen Filter aus einem neuartigen, muschelartigen Material hergestellt. Der nur etwa 20 millionstel Millimeter dicke Filter ist in der Lage, Ionen und Moleküle mit hoher Effizienz zu filtern.
Jeder kennt es aus Kindertagen im Sandkasten: Sand wird mit einem Sieb gefiltert. Größere Steine bleiben dabei hängen, während feiner Sand durch das Sieb fallen kann. Das gleiche Prinzip wird bei der Kaffeezubereitung angewendet: Wasser und Aromastoffe können ungehindert passieren, während das feinkörnige Kaffeepulver am Kaffeefilter hängen bleibt.
Für die Reinigung oder Trennung von chemischen Stoffen – z. B. Farbstoffen in Wasser oder verschiedenen geladenen Atomen, so genannten Ionen – reicht das reine Filtern nach Größe jedoch nicht aus. Es sind trickreichere Methoden erforderlich, um zum Beispiel verschiedene Ionen ähnlicher Größe voneinander zu trennen.
In biologischen Systemen können Zellmembranen solche Trennprozesse bereits realisieren, indem in den dünnen „Poren“ des Siebes zusätzliche chemische Prozesse stattfinden . In künstlich hergestellten Sieben ist dies jedoch nach wie vor eine große Herausforderung.
Wissenschaftler:innen um Gruppenleiter Christopher Synatschke aus dem Arbeitskreis „Synthese von Makromolekülen“, geleitet von Direktorin Tanja Weil, ist es nun gelungen, eine nur 20 Nanometer – also 20 millionstel Millimeter – dicke Membran herzustellen, die effizient verschiedene Ionenarten oder auch ein Farbstoffgemisch trennen kann. Die Membran besteht aus einem Material, das einem Material, das von Muscheln produziert wird, sehr ähnlich ist: Polydopamin. Durch ein sogenanntes Elektropolymerisationsverfahren kann die Polydopaminmembran so hergestellt werden, dass sie subnanometergroße Kanäle, d.h. Siebporen, aufweist.
Wie eine biologische Zellmembran haben diese Siebporen eine spezielle Oberflächenchemie. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, einwertige Ionen (wie einfach geladenes Natrium) und zweiwertige Ionen (wie doppelt geladenes Magnesium) trotz ihrer ähnlichen Größe zu trennen.
„Solche leicht herstellbaren Membranen sind für die Anwendungen von großem Interesse“, sagt Christopher Synatschke. „Damit lassen sich zum Beispiel effizientere Filter für Wasser herstellen, zum Beispiel für Industrieabfälle.“
Die Forschenden haben die Effizienz ihrer Membran mit anderen verglichen. Dabei konnten sie eine bemerkenswerte selektive Trennung zwischen Monovalentionen und größeren Spezies erreichen – effizienter als jede andere bisher hergestellte Membran.
Die Forschenden hoffen, dass sich aus den neuen Polydopamin-Membranen neue Anwendungen entwickeln lassen – denn das Material ist nicht nur umweltfreundlich und biokompatibel, sondern lässt sich auch besonders leicht chemisch anpassen.
Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Christopher Synatschke
synatschke@mpip-mainz.mpg.de
Originalpublikation:
Yu, J.; Marchesi D’Alvise, T.; Harley, I.; Krysztofik, A.; Lieberwirth, I.; Pula, P.; Majewski, P. W.; Graczykowski, B.; Hunger, J.; Landfester, K. et al.: Ion and Molecular Sieving With Ultrathin Polydopamine Nanomembranes. Advanced Materials 36 (29), 2401137 (2024)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202401137
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