ساخت غشای سلولزی نانوبلوری برای بهبود هم‌زمان استحکام، نفوذپذیری و حذف نمک

ایسنا/ پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر موفق شده‌اند نوعی غشای نانویی بر پایه نانوبلورهای سلولزی (CNC) را طراحی کنند که می‌تواند سه ویژگی کلیدی در فرایند شیرین‌سازی آب یعنی استحکام مکانیکی، نفوذپذیری آب و حذف نمک را به‌صورت هم‌زمان بهبود دهد؛ قابلیتی که سال‌ها یکی از بن‌بست‌های فناوری غشاء بوده است.

در این طرح، با بررسی دقیق نسبت طول به قطر نانوبلورهای سلولزی و میزان بارگذاری آنها، ساختاری فراگیر و شبکه‌ای موسوم به «شبکه فراپیوندی درهم‌تنیده» (PIN) ایجاد شد که رفتار یک متامتریال را در غشاء بازآفرینی می‌کند. این شبکه، مسیرهای منظم و کنترل‌شده‌ای برای عبور آب شکل می‌دهد، در عین حال از بازشدگی بیش‌ازحد ساختار که موجب کاهش حذف نمک می‌شود، جلوگیری می‌کند. نتایج نشان می‌دهد که بارگذاری ۰٫۵۰ درصد وزنی CNC با نسبت‌طولی بالا بهترین وضعیت را ایجاد می‌کند و می‌تواند کارایی غشاهای شیرین‌سازی برای آب‌های لب‌شور را ارتقاء دهد.

بحران جهانی آب شیرین سال‌هاست که کشورهای مختلف را وادار به توسعه فناوری‌های کارآمد در حوزه شیرین‌سازی کرده است. با افزایش تقاضا برای آب قابل شرب و صنعتی، غشاهای پلیمری به یکی از مهم‌ترین ابزارهای جداسازی در تصفیه آب تبدیل شده‌اند. با این حال، این غشاها با یک معضل قدیمی روبه‌رو هستند: ارتقای هم‌زمان استحکام مکانیکی، نفوذپذیری آب و توانایی حذف نمک. بهبود یکی از این ویژگی‌ها معمولاً به تضعیف دیگری منجر می‌شود و این تضاد ذاتی، پیشرفت صنعتی را محدود کرده است. یافتن ساختاری که بتواند این سه شاخص را در کنار هم بهبود دهد، یکی از اهداف اساسی پژوهش‌های غشایی در دهه اخیر بوده است.

در پاسخ به این چالش، گروهی از پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر با مطالعه ویژگی‌های نانوبلورهای سلولزی و نحوه آرایش آنها در یک ماتریس پلیمری، موفق به ساخت غشای نانویی جدیدی شده‌اند که می‌تواند از این محدودیت تاریخی عبور کند. ماده پایه این غشاء، سلولز دی‌استات (CDA) است؛ یکی از پلیمرهای پایدار، دسترس‌پذیر و مناسب برای کاربردهای جداسازی. عنصر کلیدی پژوهش، نانوبلورهای سلولزی (CNC) است؛ ساختارهایی که از سلولز طبیعی استخراج می‌شوند و به دلیل نسبت طول به قطر بالا، استحکام مکانیکی قابل توجه و سطح فعال زیاد، کاربردهای گسترده‌ای در علوم نانو دارند.

نقش بخش نانویی در این پروژه در واقع به چگونگی آرایش و پیکربندی CNCها درون غشاء بازمی‌گردد. پژوهشگران نشان داده‌اند که تنها حضور نانوذرات کافی نیست؛ بلکه نوع شبکه‌ای که این نانومیله‌ها تشکیل می‌دهند، تعیین‌کننده خواص نهایی ماده است. نسبت طول به قطر (aspect ratio) و درصد وزنی CNCها دو عامل اصلی هستند که الگوهای مختلفی از شبکه‌سازی و درهم‌تنیدگی را رقم می‌زنند. این الگوها می‌توانند از پخش تصادفی و پراکنده تا تشکیل یک شبکه درهم‌تنیده پیوسته متغیر باشند.

در این پژوهش، چهار درصد بارگذاری ۰٫۱۵، ۰٫۲۵، ۰٫۵۰ و ۰٫۷۵ درصد وزنی برای CNCهای با نسبت طولی بالا بررسی شد. نتایج آزمون‌های مکانیکی، ویسکوالاستیک و جداسازی نشان داد که در مقادیر پایین (۰٫۱۵ و ۰٫۲۵ درصد)، CNCها به صورت پراکنده یا در قالب شبکه‌ای تنگ اما محدود قرار می‌گیرند. اما از بارگذاری ۰٫۵۰ درصد به بالا، ساختار جدیدی شکل می‌گیرد؛ شبکه‌ای که پژوهشگران آن را شبکه فراپیوندی درهم‌تنیده (Pervasive Interconnected Network – PIN) نامیده‌اند. این شبکه یک ساختار پیوسته و گسترده از نانومیله‌هاست که نه‌تنها استحکام غشاء را افزایش می‌دهد، بلکه رفتار دینامیکی عبور مولکول‌ها و یون‌ها را نیز تغییر می‌دهد. در غشاهای معمولی، افزایش سرعت عبور آب یا موجب کاهش حذف نمک می‌شود یا ساختار غشاء برای عملکرد پایدار، نیازمند ضخامت بیشتر است. اما در غشای طراحی‌شده در دانشگاه امیرکبیر، ترکیب بهینه ۰٫۵۰ درصد CNC دارای نسبت‌طولی بالا، مسیرهای دوگانه و کنترل‌شده‌ای برای عبور مولکول‌های آب ایجاد می‌کند. این مسیرها اصطلاحاً مسیرهای دوقسمتی (bi-continuous) نام گرفته‌اند و بر اساس تحلیل‌های الکترواستاتیکی و فیزیکی، نقشی اساسی در کنترل عبور یون‌ها دارند.

وجود این شبکه موجب می‌شود که غشاء در برابر تغییرات فشار و بارگذاری مکانیکی مقاوم‌تر باشد. افزایش استحکام مکانیکی به غشاء امکان می‌دهد تحت فشارهای عملیاتی بالاتر کار کند، بدون آنکه ساختار پلیمری دچار گسیختگی شود. این ویژگی در فرآیند شیرین‌سازی آب‌های لب‌شور که فشار عملیاتی نسبتاً بالاست، اهمیت زیادی دارد.

پژوهشگران برای درک دقیق‌تر رفتار این شبکه، از آزمون‌های ویسکوالاستیک خطی و غیرخطی استفاده کردند که نشان داد در بارگذاری‌های بالا، ساختار CNCها از حالت پخش‌شده خارج شده و یک شبکه متصل و پایدار تشکیل می‌دهد. همچنین از طریق تحلیل CFE یا ضریب کارایی تقویت مکانیکی مشخص شد که بارگذاری ۰٫۵۰ درصد CNC بیشترین جهش را در استحکام نسبت به ماده پایه ایجاد می‌کند، بدون آنکه منجر به تجمع بیش‌ازحد و مسدودکردن مسیرهای عبوری شود.

این پژوهش نه‌تنها چگونگی بهبود هم‌زمان سه شاخص کلیدی را روشن کرده، بلکه نشان داده که می‌توان با مهندسی حالت پراکنش نانومیله‌ها در یک پلیمر، ماده‌ای با رفتار متامتریال ساخت؛ یعنی ماده‌ای که ویژگی‌های آن صرفاً از اجزای تشکیل‌دهنده‌اش ناشی نمی‌شود، بلکه از نحوه سازمان‌دهی آن اجزا در مقیاس نانو پدید می‌آید.

نتایج نشان می‌دهد که غشای نانویی حاوی ۰٫۵۰ درصد وزنی CNC با نسبت طولی بالا، عملکرد بهینه‌ای در تصفیه آب لب‌شور ارائه می‌دهد و می‌تواند پایه‌ای برای توسعه غشاهای صنعتی جدید باشد. این کار نشان می‌دهد که با درک صحیح از نقش شبکه‌های نانوساختاری می‌توان از محدودیت‌های متداول عبور کرد و به سمت غشاهای پایدارتر، کارآمدتر و مقاوم‌تر حرکت کرد.

به نقل از ستاد نانو و میکرو، نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در نشریه Carbohydrate Polymers به چاپ رسیده است.