2021年5月27日
无论是在海水淡化、水净化还是二氧化碳分离中，膜都在技术中发挥着核心作用。Helmholtz-Zentrum heron多年来一直在研究一种新的变体:它由特殊的聚合物组成，在纳米尺度上形成相同大小的孔。
要被分离欧洲杯足球竞彩的物质，比如某些蛋白质，确实可以从这些孔中溜走。由于这些分离层非常薄，因此非常脆弱，它们被绑定到具有更粗孔隙的海绵状结构上，为该结构提供了必要的机械稳定性。
“一个特殊的方面是，这些结构是在自组织行为中形成的，”Hereon膜研究所所长、汉堡大学物理化学教授Volker Abetz教授说。“相比于部分通过使用粒子加速器的复杂过程制造的同类薄膜，这种薄膜的生产成本相对较低。”由于聚合物膜结合了高通量和强分离选择性，它们在未来的生物技术和制药生产，以及废水处理，如过滤不需要的染料，都可能是有趣的。
通过计算机模拟取得进展
近年来，专家们在开发这些新膜方面取得了相当大的进展。然而，针对具体的应用，还缺乏全面的理论认识。“到目前为止，有很多试验和错误，也有直觉，”Abetz说。“现在应该尽可能从根本上理解这些系统。因此，Göttingen大学的理论物理学教授Marcus Müller和Volker Abetz在《科学》杂志上发表了一篇评论文章化学评论．本工作总结了聚合物膜领域的知识现状，并确定了最有前景的研究方法，可以弥补现有的知识差距。
计算机模拟在这里扮演着重要的角色:它们可以用来对制造过程中发生的细节进行数字模拟。“问题是，这些过程非常复杂，我们所处理的时间长度和时间尺度完全不同，”米勒解释道。“我们还不能用一个单一的描述涵盖所有这些规模。”然而，有计算机模型可以模拟各个方面。其中一些模型描述了单个聚合物分子的行为，而另一些模型则在更粗糙的网格上复制膜。到目前为止，这些不同的方法只有相当微弱的联系，而且描述各种过程的时间顺序也带来了挑战。为了更深入地理解，如果这些模型之间的相互联系比现在更好，那将是有益的。
高分子膜从绘图板
“聚合物膜的生产可以与制作soufflé，Müller说。这两种方法都是为了在整个毛孔再次崩溃之前稳定毛孔。”其中一个尚不清楚的方面是分离层和载流子层的同时形成如何以及是否相互影响，以及如何加以控制。另一个问题是，气孔如何以一种允许最高的流速通过薄膜的方式排列和排列，这是薄膜盈利能力的决定性标准。“幸运的是，计算机和模型都在变得越来越好，这应该会促进相当大的进展”，米勒补充道。“我们可以在Jülich上访问JUWELS超级计算机，这是世界上速度最快的计算机之一。”机器学习算法在未来也可能有所帮助;这里可能有未被发现的潜力。
然而，这不仅需要理论。实验中还需要做一些工作。“比如，一个很大的未知数是湿度，”Abetz解释道。“我们知道它可以决定性地影响聚合物膜的形成。但为了更好地理解这种影响，我们需要系统的测试。“如果这些障碍能够被克服，这将使长期研究目标更近一步:“我们的梦想是首先在计算机上设计和优化一种聚合物膜，作为“数字孪生”，用于特定的应用，这样它就可以在实验室中以特定的方式生产出来。”Abetz说。“也许我们甚至可以在计算机上发现全新的结构，那些我们在实验中从未遇到过的结构。
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