Naukowcy z Wydziału Chemii UW – dr inż. Wojciech Danowski, prof. Paweł W. Majewski oraz mgr Piotr Cieciórski – we współpracy z badaczami z Max Planck Institute i University of Strasbourg, opracowali innowacyjną metodę tworzenia specjalnych membran polimerowych o precyzyjnych rozmiarach porów. Odkrycie to może przyczynić się do rozwoju procesów filtracji membranowej i magazynowania energii.

Dwuwymiarowe COF-y (z ang. Covalent-Organic Frameworks), to krystaliczne, organiczne sieci polimerowe, w których występują dynamiczne wiązania chemiczne. Cechą charakterystyczną tych materiałów jest precyzyjnie określona struktura i rozmiar porów. Dzięki tej budowie mogą być używane w chemii i inżynierii materiałowej jako bardzo wydajne membrany molekularne. Gęsto usieciowana struktura COF-ów powoduje jednak, że są one niemożliwe do przetwarzania.

Dzięki współpracy z Max Planck Institute for Solid State Research, Ludwig-Maximilians-Universität München i University of Strasbourg, naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego opracowali nową metodę syntezy membran polimerowych. Kontrolując proces polimeryzacji wykazali, że synteza COF-ów może przebiegać na dwa sposoby – termodynamiczny i kinetyczny.

Jak wskazują badacze, zazwyczaj te dwa mechanizmy konkurują ze sobą, co prowadzi do powstania materiału o niekorzystnych właściwościach. W odpowiednich warunkach można jednak kontrolować, który mechanizm dominuje, co pozwala uzyskać specjalny produkt. W przeciwieństwie do typowych COF-ów zachowuje on zwiększoną zdolność do przetwarzania.

Właściwości umożliwiające przetwarzanie

Wykorzystując ścieżkę kinetyczną, struktura membrany powstaje spontanicznie pod wpływem naprężeń związanych z odparowaniem rozpuszczalnika. Tak uformowana membrana może następnie zostać łatwo przekształcona w termodynamicznie trwałą, krystaliczną i wysoko porowatą strukturę.

– Nasze membrany, dzięki unikalnemu sposobowi wytwarzania, mają wyjątkowe cechy budowy i są bardzo wytrzymałe. Potrafią znieść siły, które są 20 tys. razy większe od ich wagi – mówi dr inż. Wojciech Danowski i dodaje: – Sam proces produkcji membran jest prosty. Wystarczy nanieść roztwór monomerów na podłoże, a opisane zjawiska zachodzą samorzutnie. To sprawia, że ta metoda jest innowacyjna i można ją łatwo zastosować na dużą skalę.

Odkrycie daje nowe możliwości w tworzeniu membran molekularnych. Mogą one być używane w przemyśle chemicznym, medycznym i energetycznym. Dzięki dokładnej kontroli kształtu porów można stworzyć bardzo cienkie, mocne i dobrze uformowane membrany. Mogą one działać jako filtry molekularne, separatory jonowe lub części nowoczesnych ogniw paliwowych.

Artykuł dotyczący wyników badań został opublikowany w czasopiśmie „Nature Synthesis” >>