Биомиметика включена

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8178 (2022) Цитировать эту статью

2051 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Мембрана на кристалле вызывает растущий интерес в широком спектре высокопроизводительных исследований окружающей среды и воды. Достижения в области мембранных технологий постоянно создают новые материалы и многофункциональные структуры. Тем не менее, включение мембраны в микрофлюидные устройства остается сложной задачей, что ограничивает ее универсальное использование. Здесь, с помощью микростереолитографической 3D-печати, мы предлагаем и изготавливаем встроенное в чип мембранное устройство с интегрированной структурой «рыбьи жабры», которое обладает свойством самоуплотнения на границе раздела структура-мембрана без дополнительной сборки. В качестве демонстрации металлическая микросетка и полимерная мембрана также могут быть легко встроены в встроенное устройство, напечатанное на 3D-принтере, для достижения функций защиты от обрастания и засорения при фильтрации сточных вод. Как свидетельствует визуализация на месте взаимодействия структуры, жидкости и загрязняющего вещества во время процесса фильтрации, предлагаемый подход успешно использует механизм кормления рыб, способный «рикошетить» частицы или капли загрязняющего вещества посредством гидродинамических манипуляций. При сравнении с двумя распространенными сценариями очистки сточных вод, такими как пластиковые микрочастицы и эмульгированные капли масла, наши биомиметические фильтрационные устройства демонстрируют в 2–3 раза более длительный срок службы при высокопоточной фильтрации, чем устройства с коммерческой мембраной. Предложенный подход 3D-печати на мембране, элегантно соединяющий области микрофлюидики и мембрановедения, играет важную роль во многих других приложениях в энергетике, сенсорике, аналитической химии и биомедицинской инженерии.

Мембранная фильтрация и разделение широко используются в биомедицинских, водных и экологических приложениях1,2,3,4,5,6. В широком процессе очистки воды и фильтрации сточных вод очищенная вода проникает через мембрану, тогда как загрязняющие вещества, такие как микрочастицы пластика, капли масла и растворенные вещества, удаляются мембраной. Несмотря на общепризнанные преимущества мембранной фильтрации (т.е. высокое качество пермеата, малое использование пространства, простота автоматизации и контроля), засорение и засорение мембраны остается основным узким местом эффективной фильтрации воды7,8,9,10. Интеграция контроля массопереноса с помощью фильтрующей мембраны в микрофлюидные устройства продемонстрировала существенный рост производительности при разработке противообрастающих/засоряющих растворов11,12,13,14,15.

В настоящее время стратегии борьбы с обрастанием/засорением в основном сосредоточены на разработке новых мембранных материалов16,17 и модификации поверхности мембран9,18,19,20. Химический состав поверхности и смачиваемость мембраны сильно влияют на взаимодействие поверхности и загрязнений и склонность к загрязнению: поверхность мембраны с супергидрофобностью и олеофобностью под водой желательна для уменьшения прилипания загрязнений17,21,22. Интенсивные исследования показали, что поверхностное покрытие из оксида металла9 и даже фотокаталитических материалов23,24 может обеспечить превосходную противообрастающую способность мембраны по отношению к отталкиванию органических загрязнений и деградации. Такие химические подходы получили широкое распространение благодаря простоте реализации и высокому коэффициенту восстановления флюса (FRR) (см. рис. 1a), однако, помимо проблем адгезии/деградации покрытия, при утилизации химических отходов часто возникают экологические проблемы. В качестве альтернативы весьма привлекательной становится стратегия борьбы с обрастанием/засорением без применения химикатов. Формирование поверхностного рисунка, создающее топологические структуры на поверхности мембран, может манипулировать локальной гидродинамикой и соответствующим взаимодействием загрязнителя с поверхностью25,26,27,28,29,30. При правильно спроектированных поверхностных структурах можно контролировать поле потока вблизи поверхности мембраны, чтобы препятствовать осаждению и накоплению загрязняющих веществ, особенно микрочастиц или капель загрязняющих веществ. Эти мембранные структуры имеют размер, сравнимый с каплями нефти в пластовой воде31 и вредными фрагментами микропластика или волокнами, обнаруженными при анализе содержимого кишечника рыбы32 (см. рис. 1а). Более того, регулируя локальное поле скоростей, напряжение сдвига, возникающее на границе раздела загрязняющих веществ и мембраны, может дополнительно способствовать отделению и удалению загрязняющих веществ28,33.