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不做衣裳做滤膜:蚕丝变身理想过滤材料

时间:2016-07-08 18:56 点击:

      当中国人发明丝绸时,人们便开始惊叹于它优异的品质性能。在过去,丝绸仅仅只是皇亲国戚和达官贵人的专利,封建王朝两千多年来,丝绸的生产都是高度机密。

      直至如今,美国麻省理工学院和塔夫斯大学的研究学者发现了丝绸隐藏的奥秘,他们称其为蚕丝纳米纤维,即通过精准地提取和再组装,将丝绸加工成性能优异的过滤膜。这种新型的丝织过滤技术以“Ultrathin Free-Standing Bombyx mori Silk Nanofibril Membranes”为题在期刊Nano Letter上发表。

      这篇文章向我们描绘了蚕丝纳米纤维(一种至关重要的纳米级蚕丝结构单元)为何能够使得新型生态过滤器与传统商业产品相比,更加高效廉价和绿色。这一发现对新型过滤膜的用户(包括水处理企业、食品生产加工企业和生命科学组织)而言,意味着更新的生产手段和经济供应链。

      Ling说:“最近人们又重新开始关注这种超薄过滤膜的发展。这种膜能够最大限度的使得需要留存的分子或者是杂质流过,从而达到将物质从液体中分离出来的需求。生产这种新型超薄材料,如何在既保有恒定机械强度和优异分离性能同时,又能够降低生产设备的投入,是我们一直面临的挑战。丝纤蛋白不含有多孔结构,并且若不进行预处理还会溶解在水中,所以生产蚕丝蛋白的性价比并不高,因此我们采用蚕丝纳米纤维的方法。”

巨大挑战

      研究团队花费数月时间不停的分析讨论、改进方案、进行实验。他们最大的挑战之一,就是要努力寻找一种合适的溶液,这种溶液能够将蚕丝纤维溶解成最基本的化合物,但又不能破坏样品的完整。

      经过土木、生物医学、计算工程、材料科学等科学的共同合作努力,他们找到了关于这个新型超薄过滤膜的解决方案,并且还提出了具有创新意义和超前的生产技术。

“小强”:小而强大

      天然蚕丝纤维是由纯蛋白质构成的,人们熟知其优异的轻薄性、高强度和耐用性等,研究者将蚕丝从家养蚕身上剥离下来制成蚕丝纳米纤维。蚕丝纳米纤维的独特特性能,够使得新型滤膜维持其精妙的结构和优越的物理性能。

      过去提取或预处理纳米纤维的方法并不总是奏效。研究者通过四步独特的方法就能够有效的克服之前的障碍。前两个步骤是通过脱胶、水洗、干燥、在恒温中培育的方式,将蚕丝纳米纤维从丝纤维上剥离下来,而在其放入去离子水中之前,搅拌或者震荡以除去其中没有溶解的蚕丝。第三步是使用超声将蚕丝纳米纤维提取出来,这样得到的蚕丝纳米纤维能够保持稳定超过数月。扫描电子显微图像表明,蚕丝纳米纤维的直径和伸直长度同单条线性纳米纤维的直径近似。在最后一步和最终的过程中,他们通过利用真空过滤过程将蚕丝纳米纤维组装成超薄薄膜。

      当薄膜性的三个重要性能指标达到或超过预期时,研究便取得了成功。这三个性能指标分别是:厚度(40-1500纳米,具有12-8纳米的缩小孔径),优异的水渗透性能(通量),和对绝大多数染料、蛋白质和纳米粒子等都有效的广谱分离性能。所有的这些机械优势对这个产业都是至关重要的,尤其是压力驱动过滤,甚至是应用高压的操作。

      无论是净化污水以供饮用还是过滤人体中微小的血凝块,这种新型的丝织物薄膜都提供了极其先进的操作效率。和每片1.20美元的商业过滤薄膜相比较,一片蚕丝纳米纤维薄膜平均仅需0.05-0.51美元。

      蚕丝纳米纤维在制造业同样也还有其他重要的收益。作为蚕的副产品,创新型厂家能够利用蚕丝的天然特性提高其工业生态环境并且降低环保压力。一旦过滤器被取代,被取代的过滤器是能够进行生物降解的,不会对环境造成长久的影响。

注重细节

      控制薄膜的厚度和微孔孔径分布对过滤器工作效率来说是相当重要的,所以研究者在实验室中就要确保得到相互连通的薄膜微孔是一致的,也不能有裂缝或者针孔。

      此外,研究团队还指出,新型薄膜对蛋白质和金纳米粒子在液体中的阻隔性高相似厚度的其他薄膜。而蛋白质分子、胶体、纳米粒子、小分子、离子等都会用作评估新型薄膜过滤的尺寸选择性。

      研究结果表明,这种薄膜还具有非凡的柔韧性性、易用性和持续性。比如,新型薄膜可以直接移除而不需要粘附在支撑衬底上;它分布均匀,表面结构色透明,剪切弯曲也不受损害;最重要的是,它不会溶解在水中此外,由于中性pH值时蚕丝纳米纤维带负电荷,所以通过静电相互薄膜能够吸附更多带正电荷的分子。

      布朗大学化学系Kristie J. Koski教授表示:这种天然蚕丝薄膜卓越的分离效率和当前的合成工艺已处于同等水平。作为一种无毒、柔韧性好、易于调控的薄膜,蚕丝纳米纤维薄膜在净化与循环领域有很大的发展潜力,尤其是当合成替代品在生态系统中不是一个很好选择的时候,蚕丝纳米纤维会得到更加广泛的应用。

      德国拜罗伊特大学Thomas Scheibel教授补充说道:“过滤效率是过滤材料最重要的参数之一,而这项指标又主要是受制于过滤材料的结构。纳米蚕丝过滤器始终是饱满的,因此能够确保其保留非常小的粒子。在此基础上,新型过滤设备应该降低在水还有空气中的总能量消耗,或者要比现有的过滤设备过滤效率更高。”

      这个团队对蚕丝隐蔽秘密的探索和发现,能够像丝绸一样,在很多方面推动人类文明的进程。

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