غشاء مهندسی زیستی دو بعدی

چین منابع آب نمک متعددی مانند دریاچه های نمک و آب دریا دارد و این نمک ها حاوی عناصر استراتژیک قابل توجهی مانند اورانیوم و لیتیوم هستند. توسعه کارآمد این منابع نه تنها می تواند نرخ خودکفایی مواد خام کلیدی را بهبود بخشد، بلکه برای امنیت استراتژیک ملی نیز اهمیت مهمی دارد.

با این حال، فناوری استخراج سنتی به دلیل هزینه بالا، مصرف انرژی بالا و آلودگی جدی با چالش‌های بزرگی مواجه است و نیاز مبرمی به نوآوری‌های تکنولوژیکی دارد. در مقابل، فناوری جداسازی غشایی با مزایای انتخاب پذیری بالا، اثرات زیست محیطی کم و مصرف کم انرژی به راه حلی بالقوه برای مشکلات فوق تبدیل شده است.

هسته اصلی فناوری جداسازی غشا در تحقیق و توسعه غشاهای جداسازی نهفته است. با این حال، غشاهای جداسازی سنتی عمدتاً به غربالگری اندازه منافذ متکی هستند، که دستیابی به جداسازی یون های هیدراته با اندازه های مشابه را دشوار می کند.

به عنوان یک غشای جداسازی در حال ظهور، غشاهای دوبعدی به دلیل فاصله بین لایه‌ای قابل کنترل و واحدهای تک اتمی به راحتی عامل‌دار می‌شوند، پتانسیل کاربرد زیادی در زمینه جداسازی یونی و مولکولی دارند.

با این حال، فضای انتقال جرم بین لایه ای غشاهای دو بعدی بسیار کوچک است (سطح زیر نانومتری)، و تحقق کنترل دقیق حفره های زیر نانومتری و اصلاح عملکردی هنوز با چالش های بزرگی مواجه است.

بر اساس پیشینه فوق، پروفسور Chen Ximeng و تیم محقق لی ژان از مرکز علوم مرزی ایزوتوپ کمیاب وزارت آموزش دانشگاه لانژو یک سری استراتژی برای کنترل اندازه و اصلاح عملکردی کانال های انتقال جرم غشایی دو بعدی ارائه کردند. و پیشرفت های مهمی در زمینه شناسایی دقیق و جداسازی کارآمد اورانیوم و لیتیوم در سیستم های پیچیده آب نمک داشته است. این دستاوردها نه تنها فناوری های جدیدی را برای استخراج منابع استراتژیک اورانیوم و لیتیوم فراهم می کند، بلکه امنیت انرژی جهانی و پایداری زیست محیطی را نیز ارتقا می دهد.

تیم تحقیقاتی Escherichia coli اصلاح شده با پروتئین اتصال دهنده سوپراورانیل (SUP) را در یک لایه دو بعدی (2D) MXene (Ti3C2TX) وارد کردند و یک غشای کامپوزیتی چند منظوره دو بعدی "ساختار کتاب مانند" را از طریق یک خود روند فشار ایجاد کردند. فرآیند مونتاژ، که به شناسایی دقیق و جداسازی کارآمد یون‌های اورانیل در آب دریا دست یافت.

SUP به غشای هیبریدی زیست معدنی گزینش پذیری فوق العاده بالایی برای یون های اورانیل می دهد، در حالی که اشرشیاکلی مهندسی شده استحکام مکانیکی و اقتصاد غشا را بهبود می بخشد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که غشاء به شناسایی دقیق یون‌های اورانیل و عملکرد عالی غربالگری یون (SFU/V≈43، SFNa/U≈158) دست می‌یابد.

عملکرد جداسازی عالی و تست های پایداری چرخه ای پتانسیل کاربرد صنعتی غشاء را اثبات می کند. این نتیجه تحقیقاتی در مجله معروف Nano Letters of the American Chemical Society در نوامبر 2024 با عنوان "غشاهای لایه ای بیو غیر آلی MXene: رویکرد سبز برای استخراج اورانیوم از آب دریا با استفاده از E. coli اصلاح شده ژنتیکی" منتشر شده است. دانشجوی کارشناسی ارشد مائو شیائونان اولین نویسنده مقاله است و لی ژان، محقق مرکز علوم مرزی ایزوتوپ های نادر دانشگاه لانژو، و تیان لانگ لانگ، محقق جوان، نویسندگان همکار مقاله هستند.

تیم تحقیقاتی از اثر هم افزایی بین فلزات برای توسعه نوع جدیدی از غشای ترکیبی چارچوب آلی دو فلزی (MOF)/ اکسید گرافن (GO) بین لایه‌های اکسید گرافن استفاده کرد. یعنی 2-متیل ایمیدازول در دمای اتاق وارد لایه میانی اکسید گرافن می شود و سپس روی2+ و Co2+ توسط نانوصفحات اکسید گرافن گرفته می شود و پیوندهای هماهنگی قوی با لیگاندهای ایمیدازول تشکیل می دهند. ، تحقق سنتز درجا ZIF-8 و ZIF-67 در لایه میانی گرافن اکسید

این کار عمدتاً استراتژی جدید سنتز کانال های ناهمگن جانبی را از طریق استراتژی تبادل یونی در فضای دو بعدی زیر نانویی روشن می کند و از آن برای استخراج لیتیوم از دریاچه های نمک واقعی استفاده می کند و فاکتور جداسازی آن برای لیتیوم و منیزیم می تواند به 191 برسد. این غشای ابتکاری است. مواد نه تنها ظرفیت استخراج لیتیوم را افزایش می دهند، بلکه بر بسیاری از کاستی های فن آوری های موجود غلبه می کنند و روی را فراهم می کنند. راه حلی برای استخراج پایدار منابع لیتیوم از دریاچه های نمک

این نتیجه تحقیقاتی در مجله American Chemical Society Nano Letters تحت عنوان «غشاهای دوبعدی با چارچوب‌های فلزی-آلی دو فلزی برای جداسازی لیتیوم از شور» منتشر شد. یوان فورونگ، دانشجوی کارشناسی ارشد که به طور مشترک توسط دانشگاه لانژو و مؤسسه دریاچه‌های نمک چینگهای، آکادمی علوم چین آموزش دیده است، اولین نویسنده مقاله است و پنگ جیائیو، محقق وابسته در موسسه دریاچه‌های نمک چینگهای و لی ژان. محققی در مرکز علمی مرزی ایزوتوپ های نادر دانشگاه لانژو، نویسندگان همکار هستند.

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی همچنین یک نانوصفحه متخلخل ZnFe2O4/ZnO طراحی کرده و آن را در کانال بین لایه‌ای زیر نانویی که توسط Ag+ تنظیم می‌شود تعبیه کرده و یک ساختار کانال ناهمگن دو بعدی منحصر به فرد را تشکیل می‌دهد.

در این کانال، اتم‌های اکسیژن بارهای منفی را حمل می‌کنند و به شدت با یون‌های منیزیم با چگالی بار بالا تعامل می‌کنند، در نتیجه یون‌های منیزیم را با دقت «قفل می‌کنند»، در حالی که یون‌های لیتیوم می‌توانند به سرعت عبور کنند. این مکانیسم با مکانیزم دفع بار سطحی سنتی متفاوت است که فقط بر اثر دفع بار روی سطح غشاء متکی است، در حالی که مکانیسم قفل کردن بار با دستیابی به جذب دقیق یون در ساختار لایه‌ای، گزینش پذیری بالاتری دارد.

نتایج تحقیق در Advanced Science تحت عنوان "Tune-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine" منتشر شد. دانشجوی دکترا هائو یاکسین اولین نویسنده مقاله است و محقق لی ژان از مرکز علمی مرزی ایزوتوپ کمیاب دانشگاه لانژو نویسنده مسئول مقاله است.

پروفسور Chen Ximeng و پروفسور Wu Wangsuo پیشنهادات بهبود مهمی را برای کار فوق ارائه کردند. کار فوق توسط مرکز علوم مرزی ایزوتوپ نادر دانشگاه لانژو رهبری شد و موسسه دریاچه‌های نمک چینگهای آکادمی علوم چین و دانشگاه ملیت‌های چینگهای پشتیبانی قوی از این کار ارائه کردند. کار تحقیقاتی فوق توسط برنامه ملی تحقیق و توسعه کلیدی، بنیاد ملی علوم طبیعی چین، و پروژه متقابل تیمی هزینه‌های تجاری تحقیقات پایه دانشگاه مرکزی دانشگاه لانژو تامین شد.

[لینک مقاله]

نامه های نانو: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709

نامه های نانو: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040

علوم پیشرفته: https://doi.org/10.1002/advs.202406535