Композитные мембраны широкого назначения
1,2,а, 1,b, 1,c
1Казахский национальный исследовательский технический университет имени , Казахстан, г. Алматы
2Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия,
г. Томск
*****@***ru, bnurlybek. *****@***com, *****@***ru
В последнее десятилетие существенно возрос интерес к проблеме получения устройств для нанофлюидики ? науки, изучающей поведение, способы контроля и управления движением жидкости в тонких каналах нанометрового размера. Такие устройства могут быть использованы при исследовании очень малых количеств объектов, например, в счетчиках Культера [1], при аналитическом разделении и определении биомолекул, таких как белки и ДНК [2]. Наиболее перспективной областью применения нанофлюидных устройств в настоящее время являются нанофлюидные диоды [3], полевые [4] и биполярные транзисторы [5], которые используют для направленного переноса ионов. Одной из основных задач нанофлюдики при этом является создание технологии получения наноканалов и поиск необходимых для этого материалов.
Среди развиваемых способов получения различных по морфологии и свойствам наноканалов в твердых телах особое место отводится ионно-трековой технологии, включающей процессы формирования и практического применения ионных (ядерных) треков [6]. Эта технология основана на уникальном явлении индуцирования высокоэнергетическими тяжелыми ионами очень узкого латентного трека, содержащего высокоразупорядоченную зону, последующее селективное вытравливание которой позволяет создавать наноразмерные каналы цилиндрической формы с высоким аспектным отношением, а используя специальные приемы химического травления, формировать наноканалы с конической формой. Подобные наноканалы в полимерных пленках, обладающие асимметрией проводимости в растворах электролитов, являются примером создания нанофлюидных диодов [7, 8]. Согласно результатам этих исследований асимметрия проводимости для трековых мембран с конической формой пор обусловлена не только их геометрией, но и наличием гелевой фазы в узкой части пор, образующейся в результате набухания поверхностного слоя мембраны. Поэтому изучение топологии и химического состава поверхности стенок наноканалов является одним из приоритетных направлений нанофлюидики.
В этой связи, одним из наиболее перспективных направлений создания полимерных мембран с асимметрией проводимости ? нанофлюидных диодов, является развиваемый в КазНИТУ им. подход, заключающийся в формировании композитных мембран путем осаждения на поверхности трековых мембран неорганических соединений, образующегося в процессе осаждения в плазме. Этот метод обладает существенным преимуществом – возможностью использования широкого круга органических и элементорганических соединений. Другими словами, такой способ модифицирования трековых мембран дает возможность варьировать поверхностные свойства наноканалов в образующихся композитных мембранах, которые в значительной мере зависят от природы используемых соединений.
Полученные композитные мембраны могут быть подобны полупроводниковому диоду, поскольку существует формальная аналогия между проводимостью данных мембран в водном растворе электролитов и электронов и дырок в полупроводнике. Иными словами, на поверхности полимерной пленки может быть рассмотрена как матрица (диод), где каждый слой содержит фиксированные на поверхности пор заряды одного знака, нейтрализованные подвижными ионами (противоионами) противоположного знака. Вместе с тем, большой интерес представляет разработка методов создания двухслойных композитных мембран, в которых хотя бы один из слоев или оба слоя имеют гидрофобную природу, а также изучение электротранспортных свойств таких систем.
Основная цель работы заключается в разработке критериев позволяющих получение и исследование свойств высокомолекулярных трековых мембран (ВТМ) на основе различных способов модификации.
Для четкого представления технологического процесса получения модифицированных ТМ, была разработана поэтапная модель научно-исследовательской работы, представленная на рисунке 1.
Рисунок 1 – Поэтапная модель формирования ВТМ
Понимание механизма транспорта заряда необходимо для оптимизации работы существующих композитных мембран, а также для разработки новых типов мембран с улучшенными функциональными характеристиками. В то же время, как показывают данные, приведенные в обзоре, модификация полимеров с использованием ионизирующего излучения в ряде случаев позволяет получать новые материалы с улучшенными свойствами. При помощи модификации можно улучшать такие важнейшие параметры материалов, как прочность и упругость, ионную проводимость и др.
Это позволяет рассматривать композитные мембраны в качестве материалов будущего, создание которых особенно актуально для развития наукоемких направлений, связанных с разработкой мембранного разделения крови, ультра - и микрофильтрации, биосенсоров и т. д.
Список литературы
Saleh O. A., Sohn L. L. Quantitative sensing of nanoscale colloids using a microchip Coulter counter. // Rev. Sci. Instrum. ? 2001. ? V. 72. ? P. 4449?4451. Han C., Jonas O. T., Robert H. A., Stephen Y. C. Gradient nanostructures for interfacing microfluidics and nanofluidics. // Applied Physics Letters. ? 2002. ? V. 81. ? P. 3058?3060. Cervera J., Schiedt B., Neumann R., Mafe S., Ramirez P. Ionic conduction, rectification, and selectivity in single conical nanopores. // J. Chem. Phys. ? 2006. ? V. 124. ? No. 104706. Karnik R., Fan R., Yue M., Li D. Y., Yang P. D., Majumdar A. Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. // NanoLetters. ? 2005. ? V. 5. ? P. 943?948. Vlassiouk I., Siwy Z. S. Nanofluidic diode. // NanoLetters. ? 2007. ? V. 7. ? P. 552?556. Apel P. Yu., Dmitriev S. N. Micro - and nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams. // Advances in Natural Sciences ? Nanoscience and Nanotechnology. 2011. V. 2. No. 013002. Fulinski A., Kosinska I., Siwy Z. Transport properties of nanopores in electrolyte solutions: the diffusional model and surface charge. // New Journal of Physics. ? 2005. ? V. 7. ? No. 132. Ali M., Yameen B., Cervera J., Ramirez P., Neumann R., Ensinger W., Knoll W., Azzaroni O. Layer-by-layer assembly of polyelectrolytes into ionic current rectifying solid-state nanopores: insights from theory and experiment. // Journal of the American Chemical Society. ? 2010. ? V. 132. ? P. 8338-8348.