既可以“分離”又可以“精選”的超材料你見過嗎

材料牛注：一種新的超導材料出現了，研究者可以控制化合物中原子的定向運動，這種新技術可以彌補傳統蒸餾和膜分離技術的不足。

超材料的獨特性能已被用來屏蔽光、振動、壓力波和熱量。現在，僑治亞理工學院的研究人員希望在其他方面使用超材料：以超材料為基礎，發展一種新的定向分離技術。

雖然這個想法仍需實驗證明，但該技術具有很大的吸引力。研究人員認為，利用操縱超材料的物質傳輸，有助于減少某些化學和生物反應過程中所需的能量。研究人員所提到的技術將使用特殊圖案的、具有特定物理性能優點的聚合物材料來引導原子的流動。

通過屏蔽氮氣和集中氧氣來解釋該技術對氮和氧的混合物進行分離的詳細說明已經發表在Scientific?Reports上。這項研究得到了美國化學學會種子基金的支持。

“我們將下一步控制原子如何穿過超材料，他們會去哪個方向，”僑治亞理工學院化學與生物分子工程學院的助理教授Martin?Maldovan說。“通過設計超材料的擴散，我們可以使一種化合物的原子在一個方向擴散，而另一種化合物的原子在另一個方向擴散。我們操縱材料的物理性質以控制原子通過超材料殼的方向。”

Maldovan和研究生助理Juan?Manuel?Restrepo-Flórez已經使用計算技術評估了超材料，并計劃在今年夏天建立一個原型分離裝置。他們的研究成果可能在化學制造、半導體晶體生長、生物溶質、化學品廢物回收和生產人工腎臟等方面得到應用。

超材料技術可以補充傳統的通過改變溶解度和擴散控制化學品通道的過濾膜的功能，“在超導材料殼里面，你可以控制一個原子做一件事，而另一個原子做別的事情，”Maldovan說。“我們的超材料會控制流量，因為它們是各向異性的——某些方向是由結構自身決定的，而我們可以控制原子的方向。”

Maldovan對于傳質超材料的計劃使用四種不同類型的聚合物：兩種具有高擴散性，兩種具有低擴散性。各材料的塊狀圖案和大小通過數學算法來確定。

“有了這個超材料，我們可以利用材料的各向異性控制原子去向，”Maldovan解釋說。“這使分離技術基于溶解度和擴散又增加的一個重要參數，我們已將這個參數添加到化學工程師的工具箱里：發送原子到何處。”除了分離原子，超導材料濃縮原子的能力允許傳感器以檢測更稀的材料，實質上放大了可用的化學信號。

這種新的分離過程不會取代傳統的蒸餾和膜分離技術，反而可以提高它們的性能，Maldovan說，“蒸餾和蒸發都是非常耗能的，但他們是化工行業的主力。膜工藝已被開發以減少能源消耗，我們的目標是提供一種使用更少能量的技術。這會有助于開發更好和更有效的膜技術，以便提供更好的分離技術。”

原文參考地址：New?metamaterial?can?separate?and?concentrate

感謝材料人編輯部楊志濤提供素材。