新研究：膜の新しい挙動を発見、前例のない分離プロセスに導く可能性

Tokyo科学者たちは、膜が新たな方法で機能し、材料の分離において非常に優れた性能を発揮することを発見しました。膜は多くの分野、特にさまざまな産業における物質の分離において非常に重要です。

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アメリカ合衆国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所で先端材料エネルギー水システムセンターを率いるセス・ダーリングは、膜の重要性について強調しました。彼は、多くの日常品が分離に依存していると述べ、その分離を効率的に行うために膜が不可欠であると説明しました。

ほとんどの商業用膜は様々な孔径を持っています。この不均一性により、異なる溶質が通過するため、明確な分離を達成するのが難しくなります。「現在使用されているほぼすべての商業用膜は、小さな孔、中くらいの孔、大きな孔と、幅広い孔径を持っています」とダーリング氏は説明しています。

ダーリングと彼のチームは、同じサイズの孔を持つイソポラス膜を研究しました。これまで、科学者たちはナノスケールでの分離が、孔のサイズの違いや液体が溶質に与える遅延効果による限界があると考えていました。この遅延、あるいは阻害輸送は、液体が抵抗を生じさせることで起こり、溶質が遅く移動し、まるで膜によって遮られているように見える原因となります。「孔の中の水が、分子や粒子が通過しようとする際に速度を落とし、膜がそれを拒否しているように見えるのです」とダーリングは説明しました。

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これらの膜を介して物質の移動を改善することができれば、粒子をより正確にサイズで分類することができるかもしれません。ダーリンは、「我々は10ナノメートル程度の孔を持つ膜を研究しています。膜を完璧に作り、プロセスを適切に設計すれば、サイズがわずか5パーセント異なる粒子を分離できると考えています。現在の膜ではそれはできません」と述べました。

新しい研究によると、等孔性膜はこれまで考えられていたよりも異なる動作をすることが分かりました。「これまでの科学者たちは、各溶質が膜孔を通過するチャンスは一度きりだと考えていました」とダーリングは説明しました。しかし、この研究では、溶質が膜孔を通過する機会を複数回与えることが有用であることが明らかになりました。数週間にわたってフィード溶液を循環させることが行われました。「数週間のテスト期間の後でも、平均して数回しか個々の溶質が膜孔を通ろうとしないことが分かりましたが、それでも分離プロセスが大幅に改善されました」とダーリングは述べています。

より多くの時間や優れたプロセス設計があれば、より精密な分離を達成することができます。ダーリンによると、時間が延びるか設計が改善されると、孔のサイズが溶質のサイズと一致したときに明確で鮮明な分離が生じるとされています。

これらの発見は現在の膜を改良し、溶質が通過しやすくするために利用できます。「これらの基礎研究を産業で活用できれば、経済のさまざまな分野に大きな利益をもたらすかもしれません」とダーリング氏は述べました。この研究はDOE基礎エネルギー科学局によって資金提供されました。