3D电子显微镜揭示了脱盐膜的复杂内脏

根据化学工程师团队的说法，仔细的样品制备，电子断层扫描和3D模型的定量分析为广泛用于盐水淡化废水回收和家庭使用的反渗透膜的内部结构提供了独特的见解。

这些反渗透膜是具有活性芳族聚酰胺层的材料层，其允许水分子通过，但筛出99%至99.9%的盐。

“随着水的压力持续增长，需要更好的膜过滤材料来提高水的回收率，防止结垢，延长过滤模块的使用寿命，同时保持合理的成本，确保全世界的可达性，”宾夕法尼亚州化学工程教授Enrique Gomez说。 。“了解材料在内部的外观，并了解这种微观结构如何影响水的传输性能，对于设计具有更长使用寿命的下一代膜是至关重要的，这些膜可以在各种条件下发挥作用。”

戈麦斯和他的团队使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)断层扫描观察了聚酰胺薄膜的内部结构。HAADF-STEM的图像强度与材料的密度成正比，允许将材料映射到纳米级分辨率。

“我们发现聚酰胺层的密度不均匀，”Gomez说。“但整个电影都有所不同，在这种情况下，表面最高。”

这一发现改变了工程师思考水如何通过这种材料的方式，因为流动阻力不均匀，在膜表面最高。

HAADF-STEM允许研究人员构建膜内部结构的3D模型。通过这些模型，他们可以分析结构组件并确定膜必须保留哪些特性以及哪些特征可以被操纵以改善膜寿命，防污和增强水回收。

通过HAADF-STEM揭示的另一个特征是先前报道的封闭空隙的存在，或者更确切地说是不存在。研究人员认为，膜的精细结构将包含封闭的空隙空间，可以捕获水并改变流动模式。3D模型显示，在所研究的最先进材料中几乎没有封闭空隙。

“孔隙率，密度和表面积的局部变化将导致膜内通量的不均匀性，因此连接化学，微观结构和用于反渗透，超滤，病毒和蛋白质过滤以及气体分离的膜的性能将需要来自诸如此类技术的3D重建。作为电子断层扫描，“研究人员在最近一期”美国国家科学院院刊 “上报道。

研究人员希望将该技术的分辨率推至1纳米以下。

“我们不知道这些材料中是否存在亚纳米孔，我们希望能够推动我们的技术，看看这些通道是否存在，”Gomez说。“我们还希望绘制流动如何通过这些材料直接连接微观结构如何影响水流，通过用可以流过膜的特殊化合物标记或染色膜并在电子显微镜中可视化来映射。”