أوضح فريق بقيادة جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) أن الأغشية المتجانسة الرقيقة المصنوعة من مادة البوليمر والتي تزيل الملح من مياه البحر ومن المحلول الملحي بشكل فعال يمكن أن توفر بديلاً واعدًا لأنظمة تحلية المياه الحالية.

وقال أستاذ الكيمياء الدكتور يو هان، الذي أجرى الدراسة، "يجب أن تُظهر أغشية تحلية المياه الرقيقة المصنوعة من مادة البوليمر في نفس الوقت تدفقًا عاليًا للمياه وطردًا شديدًا للأملاح".

من المتوقع أن تفي المواد النانوية الكربونية، مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين، بهذه المتطلبات بسبب كيمياء سطحها الفريدة وميلها للتكدس في قنوات بأقطار أصغر من نانومتر واحد. ومع ذلك، فإن صعوبات محاذاة القنوات والتكديس تجعل استخدامها على نطاق واسع في الأغشية المتجانسة الرقيقة المصنوعة من مادة البوليمر أمرًا صعبًا.

“وفي تصريح له، ذكر صاحب الورقة البحثية الأولى جي شين، وهو طالب ما بعد الدكتوراه في مجموعة هان التي تركز أبحاثها على تطوير مواد نانونية رفيعة، بما في ذلك المواد ثنائية الأبعاد والأطر العضوية المعدنية والأطر العضوية التساهمية، "وتكمن إحدى طرق معالجة هذه القيود من خلال أغشية كربونية مسامية ثنائية الأبعاد مع قنوات نقل جزيئية منتظمة وموزعة بشكل منتظم أقل من نانو متر".

ييتشن كاى، تطبيقات الأغشية_ أناستازيا سيرين/ جامعة كاوست: يعمل عالم الأبحاث بجامعة كاوست الدكتور يشن كاي وفريقه على تحسين الخاصية المانعة للحشف والقوة الميكانيكية والاستقرار الكيميائي طويل المدى للأغشية الرقيقة القائمة على مادة البوليمر للتطبيقات العملية المستقبلية. تصوير أناستازيا سيرين/ جامعة كاوست 2022.

ومع ذلك، تُصنّع هذه الأغشية عادةً في محلول، مما يعزز النمو العشوائي لهيكل ثلاثي الأبعاد غير منظم مع مسام دقيقة غير محددة بشكل جيد. ونجح أساتذة جامعة كاوست، الدكتور يو هان والدكتور فينسنت تونغ والدكتور إنغو بيناو والعالم السابق في جامعة كاوست الدكتور لانس لي، في تطوير طريقة تساعد في التحكم في نمو أطر بوليمر متجانسة ثنائية الأبعاد في أغشية كربون فائقة الرقة باستخدام ترسيب البخار الكيميائي.

جي شين_ إطار البوليمر _ الأغشية_جامعة كاوست: يُنسب للطالب ما بعد الدكتوراه جي شين بجامعة كاوست، تأليف الورقة البحثية الأولى، النقل السريع للمياه والغربلة الجزيئية من خلال أغشية هيكل البوليمر المتجانسة وفائقة الرقة، التي نُشرت في مجلة ناتشير ماتيرلز العلمية. تصوير أناستازيا سيرين/ جامعة كاوست 2022.

استطاع الباحثون ترسيب المونومر ثلاثي إيثينيل بنزين على ركائز نحاسية أحادية البلورية مسطحة ذريًا في وجود قاعدة عضوية تعمل كمحفز. وهو يحمل ثلاثي إيثينيل بنزين ثلاث مجموعات تفاعلية تعمل كنقاط ربط لمونومرات إضافية. وتُظهر هذه المجموعات زاوية 120 درجة مترابطة، مما يؤدي إلى إنشاء مصفوفات منظمة من الهياكل الحلقية المحددة جيدًا والتي تتراكم في قنوات طاردة للمياه ذات الحجم النانوي.

وكان من نتيجة البحث أن أظهر الغشاء المصنوع من مادة البوليمر أداءً ممتازًا في تحلية المياه في تكوينات التناضح الأمامي والعكس، متجاوزًا تلك التي تحتوي على مواد متطورة مثل الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين. كما أظهر رفضًا قويًا للأيونات ثنائية التكافؤ، وكذلك الجزيئات الصغيرة المشحونة والمحايدة.

ومما يفسر سرعة نقل المياه عبر الغشاء، اكتشف الباحثون أن جزيئات المياه شكلت شبكة ثلاثية الأبعاد داخل الغشاء بدلاً من التحرك عبر الغشاء على طول قنوات مثلثة عمودية كسلاسل أحادية البعد

وقال الدكتور هان: "كشفت هذه النتيجة غير المتوقعة أن القنوات الرأسية المنفصلة على ما يبدو مترابطة بالفعل من خلال قنوات أفقية قصيرة يمكننا التغاضي عنها بسهولة في النموذج الهيكلي المتوقع".

علاوة علي ضبط خصائص الشحن السطحي وأحجام القنوات للغشاء، يعمل الفريق الآن على تحسين الخاصية المانعة للحشف، والقوة الميكانيكية، والاستقرار الكيميائي طويل المدى للغشاء للتطبيقات العملية المستقبلية.

وأضاف الدكتور هان: "يتمثل هدفنا النهائي في توفير منصة متعددة الوظائف متعددة الاستخدامات تلبي احتياجات التطبيقات المختلفة، مثل غربلة الأيونات، والاستشعار أحادي الجزيء، والواجهات العصبية".