정확한 분자 체질을 위해 초박막에 정렬된 거대고리 기공

Nature 609권, 58~64페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

고분자막은 담수화1, 유기용매 나노여과2,3, 원유 분별4,5 등의 분리 공정에 널리 사용됩니다. 그럼에도 불구하고, 나노미터 이하의 기공에 대한 직접적인 증거와 그 크기를 조작할 수 있는 실행 가능한 방법은 폴리머에서 제대로 정의되지 않은 공극의 분자 변동으로 인해 여전히 어려운 과제입니다6. 본질적인 공동을 가진 거대사이클은 잠재적으로 이 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 구별할 수 없는 반응성을 갖는 기능화되지 않은 거대고리는 수백 나노미터 두께의 필름에서 무질서하게 패킹되는 경향이 있어 공동 상호 연결 및 관통 기공 형성을 방해합니다. 여기에서 우리는 초박형 나노필름 전체에 잘 정의된 기공을 생성하기 위해 우선적으로 정렬되는 차별화된 반응성을 갖는 선택적으로 기능화된 거대고리를 합성했습니다. 나노필름 두께를 수 나노미터까지 줄임으로써 정렬된 구조가 향상되었습니다. 이 지향성 아키텍처는 거대고리 ID를 변경하여 크기를 옹스트롬 정밀도에 맞게 조정하여 나노필름 표면의 나노미터 이하 거대고리 기공을 직접 시각화할 수 있게 했습니다. 정렬된 거대고리 막은 무질서한 막에 비해 2배의 메탄올 투과도와 더 높은 선택성을 제공했습니다. 여기에 예시된 칸나비디올 오일 강화를 통해 고부가가치 분리에 사용된 이 제품은 상업용 첨단 멤브레인보다 한 자릿수 더 빠른 에탄올 이동과 3배 더 높은 농축을 달성했습니다. 이 접근법은 고분자막에 나노미터 이하의 채널을 생성하기 위한 실행 가능한 전략을 제공하고 정확한 분자 분리에 대한 잠재력을 보여줍니다.

대부분의 분리막의 주요 특징은 기공 구조이며, 가장 인기 있는 것은 기공 크기를 정밀하게 제어하는 ​​것입니다. 그러나 지금까지 우리는 나노미터 미만 기공의 기하학적 구조에 대한 근본적인 이해나 크기의 정확한 제어를 갖고 있지 않습니다10,11. 기존의 고분자 막에서는 나노미터 이하의 기공이 선형 고분자의 패킹이나 가교 고분자의 네트워크 구조에 의해 생성된 상호 연결된 미세 공극에서 발생합니다. 본질적인 미세 다공성을 갖는 선형 폴리머는 견고한 백본6으로 인해 높은 자유 부피 미세 다공성을 제공하지만 물리적 노화 및 폴리머 이완으로 인해 기공 붕괴가 발생합니다. 계면 중합에 의해 제작된 가교 폴리머 네트워크는 지속적인 멤브레인 성능을 입증했지만 빠르고 확률론적인 가교 반응으로 인해 미세 공극 구조를 정확하게 제어하기가 어렵습니다.

COF(공유 유기 프레임워크)13, MOF(금속 유기 프레임워크)14 및 POC(다공성 유기 케이지)15를 포함한 다공성 재료는 잠재적으로 고유 공동/구멍을 막 공극으로 변환할 수 있지만 이전 연구에서는 피할 수 없는 장벽에 직면했습니다. 입자 경계 또는 무질서한 포장. 최근 사이클로덱스트린과 같이 영구 공동이 있는 거대고리는 계면 중합을 통해 폴리에스터 분리층으로 가교결합되었습니다. 공동은 고유한 막 공극으로 보존되는 것으로 가정되었습니다. 그러나 기능화되지 않은 시클로덱스트린의 넓은 테두리와 좁은 테두리는 모두 알칼리 조건에서 유사한 반응성을 갖는 수산기로 풍부해졌기 때문에 계면 반응 중에 무작위 가교가 발생하여 100nm 두께 이상의 필름을 생성했습니다7,8(그림 1a). 구별할 수 없는 반응성을 지닌 아민을 함유한 거대고리는 격렬한 계면 중합 중에 확률적으로 반응하고 패킹되는 경향이 있습니다9. 이러한 비선택적 가교는 거대고리의 인접한 공동이 정렬된 관통 기공을 형성할 가능성을 감소시키고 공동 크기보다 작은 분자의 예기치 않게 높은 거부를 설명합니다. 본질적으로, 균일한 거대고리 공동 크기는 서로 다른 용질 사이의 날카로운 선택성을 달성하는 데 필요한 균일한 막 기공 크기로 변환되지 않았습니다.