教育新闻网劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)和伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的一组科学家模仿了肾脏的结构，创建了三维纳米(nm)薄膜，该薄膜打破了渗透选择性贸易。人造膜。
高渗透性和选择性的膜可用于广泛的应用，例如透析，水净化和能量存储。然而，基于二维结构的常规合成膜由于其固有的有限的表面积和长的复杂的孔几何形状而受到渗透性和选择性之间的折衷限制。
该团队从采用高效3-D功能结构的生物系统中获得了高度选择性和快速的跨膜质量转移的线索，开发了由两个3-D相互连接的通道组成的自支撑3-D膜，这些通道相互分隔纳米薄的多孔氧化钛(TiO2)层。
这种独特的仿生3D结构极大地增加了表面积，从而使过滤面积增加了6,000倍，并具有穿过2-4-nm薄选择层的超短扩散距离。这些特征提供了3-D膜的高分离性能和快速的传质特性。
LLNL材料科学家Jianchao Ye说：“我们的研究表明3-D膜设计具有克服常规合成膜局限性的巨大潜力。”该材料的相应作者之一发表在《材料地平线》杂志上。
“这项工作的结果也为开发高性能纳米多孔膜提供了基本的设计标准，”现任伊利诺伊大学芝加哥分校的前LLNL科学家桑吉尔·金说。
研究小组说，这种新型3D膜在生物医学工程和能量存储领域具有广阔的应用前景，例如用于硫化锂和氧化锂电池的膜。
“这项工作中展示的3D仿生膜设计最终将使高性能植入式血液透析系统和人造膜肺的开发成为可能，从而改变成千上万患有全肾和永久性肾衰竭和肺衰竭的美国人的生活，” LLNL的科学家兼合著者Juergen Biener说。
研究小组还指出，可以通过使用3-D打印和机器学习技术进行几何优化来进一步提高性能，这在膜领域带来了巨大的研究机会。
