Уникальные свойства метаматериалов раньше использовались в разработке материалов-«невидимок», для защиты объектов от света, от вибрации, волн давления и тепла. Теперь исследователи из Технологического института Джорджии хотят найти другое применение метаматериалов - создание нового направления технологии разделения веществ, с их выделением из смеси нехимическими методами.

Исследователи считают, что манипулирование движением веществ с пользованием метаматериалов может помочь уменьшить энергию, необходимую для некоторых химических и биомолекулярных процессов, хотя идея все еще должна быть доказана экспериментально. Предложенная методика задействует специальные узорчатые полимерные материалы, чтобы направить поток атомов, пользуясь их специфическими физическими свойствами.

Подробное объяснение того, как этот метод может быть использован для разделения смеси азота и кислорода - путем скрывания азота и концентрирования кислорода - сообщили 25 февраля в журнале Scientific Reports.

"Мы будем контролировать, как атомы пересекают метаматериал, в каком направлении они будут идти," - сказал Мартин Малдован, доцент в Georgia Tech's School of Chemical & Biomolecular Engineering and School of Physics. - "Проектируя коэффициент диффузии метаматериалов, мы можем заставить атомы одного соединения идти в одну сторону, а атомы другого соединения направить другим путем. Мы манипулируем физическими свойствами, чтобы управлять направлением атомов через оболочку метаматериала."

Метаматериал оценивали с использованием вычислительных методов, в планах исследователей создание прототипа устройства для разделения этим летом. Результаты работы могут иметь применение в таких областях, как химическое производство, выращивание кристаллов полупроводников, утилизация отходов, биологических или химических веществ, растворенных веществ, а также при производстве искусственных почек.

Новая методика может дополнить традиционные мембраны, которые контролируют прохождение химических веществ путем изменения растворимости и коэффициента диффузии. Аналогично принципу других метаматериалов, метод переноса массы может либо направлять химические вещества вокруг оболочки или же концентрировать их внутри оболочки.

"Внутри оболочки метаматериала можно заставить один атом делать что-то одно, а другой атом сделать что-то другое", - сказал Малдован. - "Наши метаматериалы будут контролировать поток, потому что они являются анизотропными."

Для создания «массообменных» метаматериалов планируется использовать четыре различных типа полимеров, два из них с высоким коэффициентом диффузии и два с низким. Размер и структурирование блоков, изготовленных из каждого материала, определяется с помощью математических алгоритмов.

"С помощью этого метаматериала мы сможем контролировать направление атомов, используя свойство анизотропии", - пояснил он. "Это стало бы дополнением к разделению на основе растворимости и коэффициента диффузии. Мы добавили важный параметр в арсенале инженеров-химиков: куда отправить атомы."

В дополнение к разделению атомов способность метаматериалов концентрировать атомы может позволить создать датчики для обнаружения веществ в очень разбавленных количествах, существенно усиливая доступный химический сигнал.

В своей работе исследователи рассчитали как отделить 50/50 смесь азота и кислорода с использованием доступных полимеров, которые обладают необходимыми свойствами. Каждая смесь веществ потребует для разделения полимеров с различными свойствами, не все из которых доступны в существующих материалах, т.е. не все химические или биомолекулярные смеси будут поддаваться разделению с новой технологией.

Концентрации для разделяемого соединения А в разное время и в стационарном состоянии.

(a--e) задний фон, (f--j) анизотропное однородное покрытие, (k--o) покрытие с несколькими слоями

Credit: Martin Maldovan and Juan Manuel Restrepo-Flórez, Georgia Tech

"Новый процесс разделения не заменит традиционные процессы перегонки и разделение при помощи мембран, но может дополнять их", - сказали исследователи. - "Дистилляция и выпаривание очень энергоемки, но они являются основой химической промышленности. Ранее были разработаны мембранные процессы со сниженным потреблением энергии. Наша цель состоит в том, чтобы обеспечить технологию, которая использует еще меньше энергии. Это может помочь создать более совершенные и эффективные мембраны, которые обеспечивали бы лучшее разделение."

Метаматериалы, в конечном итоге, должны быть изготовлены с микронной структурой, чтобы быть эффективными. Но прототипы могут быть изготовлены с использованием более крупных структур.

"Нам нужно сначала изготовить их, а затем оптимизировать дизайн," - сказали исследователи. "Мы знаем, что должно быть изготовлено, так что будущая работа будет сочетать проектирование, изготовление и оптимизацию."

Источник: Juan Manuel Restrepo-Flórez, Martin Maldovan. Mass Separation by Metamaterials . Scientific Reports, 2016; 6: 21971 DOI: 10.1038/srep21971

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта