Processen med at adskille nyttige molekyler fra blandinger af andre stoffer tegner sig for 15% af landets energi, udsender 100 millioner tons kuldioxid og koster $ 4 milliarder årligt.
Kommercielle producenter producerer kolonner af porøse materialer til at adskille potentielle nye lægemidler udviklet af den farmaceutiske industri, for eksempel, og også til energi og kemisk produktion, miljøvidenskab og fremstilling af fødevarer og drikkevarer.
Men i en ny undersøgelse har forskere ved Case Western Reserve University fundet, at disse fremstillede separationsmaterialer ikke fungerer som tilsigtet, fordi porerne er så fyldt med polymer, at de bliver blokeret. Det betyder, at adskillelserne er ineffektive og unødvendigt dyre.
Lydia Kisley, Ambrose Swasey assisterende professor i fysik og kemi i Case Western Reserve, brugte det, der er kendt som enkeltmolekyle mikroskopi til at finde, at løsninger, der indeholder molekyler af interesse, hovedsageligt diffunder helt ubrugt.
Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremmer.
“Disse materialer markedsføres som ‘fuldt porøse’, men de er ikke,” sagde Kisley, der førte arbejdet. “Vi blev virkelig overrasket over dette. Hvorfor fungerer ikke dette materiale, som det blev designet og sælges til arbejde?”
Kisley sammen med kolleger professor Burcu Gurkan og lektor Christine Duval, fra Case School of Engineering’s Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ønskede at finde ud af hvorfor.
Enkeltmolekyle-fluorescensmikroskopi, en specialiseret teknik, der giver forskere mulighed for at visualisere og analysere opførslen af individuelle molekyler, gjorde det muligt for Kisley at se den molekylære dynamik ved nanoskalaen.
“Vi bruger lys til at kunne observere individuelle molekyler,” sagde hun, “Skinner en blåere laser for at få molekylerne til fluorescering i rødt.”
Gurkan og en postdoktorisk forsker i sit laboratorium, Muhammad Zeeshan, testede først materialerne som specificeret af industrien, ikke under de løsningsbetingelser, de faktisk bruges, og fandt, at de testede som annonceret af producenterne.
Men ved at afbildning af de samme materialer under forhold, der blev anvendt i faktiske adskillelser, fandt Kisley, at producenterne tilføjede så meget cellulosemateriale til at fange molekyler, at det faktisk blokerede porerne. Brug af et opløsningsmiddel til at fjerne ekstra materiale forbedrede de potentielle adskillelser.
Kisley håber, at deres fund vil hjælpe producenterne med at designe mere effektive adskillelser. “Halvdelen af omkostningerne ved at bringe et nyt lægemiddel på markedet forsøger at adskille molekyler, en proces, der kan udføres mellem 10 og 20 gange for et stof,” sagde hun.
Enkeltmolekylmikroskopiteknikken kan vise, hvordan separatorer faktisk fungerer og forudsiger deres præstation. Hvis det er vedtaget af industrien, kan dette eliminere de prøve-og-fejl-metoder, der nu bruges i adskillelsesvidenskab, sagde hun.
“Måske kunne du få mere effektive adskillelser og eliminere et helt trin,” sagde hun. “Tænk på de monetære og tidsbesparelser. Vi kunne konvergere hurtigere på et vellykket stof for at hjælpe med at behandle sygdom.”
Kisley citerede Ricardo Monge Neria, en kandidatstuderende i Western Reserve i fysik, for at have ført den eksperimentelle forskning og skrivning af det offentliggjorte papir.
Rachel Saylor, lektor i kemi og biokemi ved Oberlin College, samarbejdede også om undersøgelsen sammen med forskere ved Case School of Engineering Swagelok Center for Surface Analysis of Materials.