1763066075
2025-11-13 20:17:00
Мембраны ультрафильтрации, используемые в фармацевтическом производстве и других промышленных процессах, уже давно основаны на разделении молекул по размеру. Теперь исследователи Корнелла создали пористые материалы, которые фильтруют молекулы по их химическому составу.
Две молекулы одинакового размера и веса, но разного химического состава, например антитела с различной молекулярной структурой, трудно разделить с помощью современной мембранной технологии ультрафильтрации (УФ). Но в исследование опубликовано 13 ноября Исследователи из Nature Communications обнаружили, что смешивание химически различных мицелл блок-сополимеров – крошечных самоорганизующихся полимерных сфер – можно применить для создания мембран, способных фильтровать молекулы за счет химического сродства.
Изображение, полученное сканирующей электронной микроскопией (слева), демонстрирует поверхность пористой асимметричной УФ-мембраны, созданной в Корнеллском университете путем смешивания химически различных мицелл блок-сополимера. Сегментация с помощью машинного обучения (справа) выявила закономерности, образованные различными типами и химическим составом мицелл, показывая, как этот подход может привести к созданию УФ-мембран, которые сортируются по химическому сродству.
«Это первый реальный путь к созданию УФ-мембран с химически разнообразной поверхностью пор», — сказал он. Ульрих Визнерпрофессор материаловедения и инженерии Спенсера Т. Олина и старший автор исследования. “В принципе, этого можно достичь с помощью постпроизводственных процессов, но затраты на его внедрение будут непомерно высокими для промышленности. Этот новый подход может действительно произвести революцию в ультрафильтрации”.
Черпая вдохновение из природы – например, белковых каналов в клетках, которые могут различать ионы металлов одинакового размера с помощью химии стенок пор – ведущий автор Лилли Цаур, доктор философии. 24 года из группы Визнера исследовали, как нейтральные и отталкивающие взаимодействия между мицеллами влияют на их самосборку внутри верхнего разделительного слоя. Объединив до трех различных блок-сополимеров, команда продемонстрировала, как эти конкурирующие взаимодействия контролируют появление различных химических веществ в порах поверхности пленки.
«Хотя в принципе это действительно простая идея, на практике разработать ее экспериментально очень сложно», — сказал Визнер, также профессор кафедры технологий дизайна. «В частности, определение того, где в верхнем разделительном слое расположены мицеллы разного химического состава, является нетривиальной задачей».
Используя сканирующую электронную микроскопию, Цаур получил изображения сотен образцов, чтобы изучить, как располагаются различные мицеллы. Поскольку визуализация не могла легко идентифицировать химический состав, она использовала машинное обучение, чтобы обнаружить тонкие различия в структуре пор и определить, где появляется каждый тип мицелл.
Соавтор Фернандо А. Эскобедопрофессор химической и биомолекулярной инженерии Сэмюэля В. и М. Дайан Бодман (Корнеллский инженерный институт), провел молекулярное моделирование, чтобы помочь выявить правила, управляющие самоорганизацией мицелл. Это проблема из-за большого количества мицелл и их тенденции собираться в состояния, относительно далекие от равновесия.
«Это потребовало использования очень грубых моделей и многочисленных калибровок для определения масштабов времени и длины, задействованных в экспериментальном процессе», — сказал Эскобедо, который проводил исследование вместе с Луисом Ньевес-Росадо, доктором философии. ’25.
«Компании просто хотят изменить рецепт, «волшебную пыль», которая используется в том же процессе, который они использовали десятилетиями, чтобы придать мембранам химически разнообразную поверхность пор», — сказал Визнер. «Наш метод потенциально может привести к смене парадигмы в операциях, основанных на УФ, и открыть совершенно новые возможности использования УФ-мембран».
Помимо фильтрации, исследования могут привести к созданию новых материалов с новыми свойствами для таких применений, как интеллектуальные покрытия, реагирующие на окружающую среду, и биосенсоры, обнаруживающие определенные молекулы. Группа Виснера продолжает работу и разрабатывает методы более глубокого исследования верхнего разделительного слоя этих материалов, чтобы увидеть, как химические структуры распространяются под поверхностью.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом, а также проведено Корнеллским научно-исследовательским центром материаловедческих исследований и Корнеллским центром ядерного магнитного резонанса.
Сил Какапир — заместитель директора по маркетингу и коммуникациям Cornell Engineering.
#Машинное #обучение #учит #мембраны #сортироваться #по #химическому #сродству
Продолжение темы
