Một nhóm nghiên cứu thuộc Trường Đại học Minnesota đã tạo ra một bước đột phá trong phát triển quy trình xử lý tinh thể để tạo ra lớp vật liệu siêu mỏng với các khẽ lỗ nhỏ có kích thước chỉ bằng phân tử. Các nhà nghiên cứu cũng đã chứng minh được lợi ích của vật liệu có tên là các tấm nano zeolite(zeolite nanosheets) khi tiến hành chế tạo các màng siêu tách lọc dùng để phân tách các chất hóa học.
Các màng mới này có thể tách chiết có chọn lọc các phân tử riêng lẻ dựa vào hình dạng và kích thước vật liệu, do đó có thể cải thiện hiệu quả năng lượng của các quá trình xử lý phân tách chất hóa học từ các nhiên liệu, các chất hóa học, dược phẩm (pharmaceuticals).
Công trình nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature và hiện đã được cấp bằng sáng chế với công nghệ này.
Theo Michael Tsapatsis, giáo sư khoa học vật liệu và công nghệ hóa học tại Trường Đại học Minnesota và là người đứng đầu nghiên cứu cho biết, quy trình xử lý mới này có thể khiến tinh thể tấm nano zeolite phát triển nhanh hơn, đơn giản hơn, chất lượng và nhiều ích lợi hơn so với trước đây. Đây cũng là một hướng đi mới giúp cải thiện hiệu suất năng lượng trong các ngành công nghiệp hóa chất và sản phẩm hóa dầu.
Hầu hết các chất hóa học và quy trình lọc sạch các chất hóa dầu hiện nay chủ yếu dựa vào quá trình xử lý thúc đẩy nhiệt như là chưng cất và quá trình xử lý này rất tốn năng lượng. Lấy ví dụ như, năng lượng dùng cho quá trình tách chất hóa học dựa vào chưng cất tương ứng với gần 5% tổng năng lượng tiêu dùng ở Hoa Kỳ.
Hiện có một số công ty và các nhà khoa học đang tiến hành nghiên cứu các phương pháp phân tách có hiệu quả năng lượng hơn so với các phương pháp hiện nay dựa trên các màng mỏng để có thể phân tách các phân tử theo kích cỡ và hình dạng của chúng. Sự khác biệt của những màng lọc này chính là nó dựa vào zeolites và các tinh thể silicat có các khe lỗ rỗng có đường kính chỉ bằng nguyên tử. Tuy nhiên, quá trình xử lý đa bước này dùng trong sản xuất các màng rất tốn kém, khó mở rộng và sản xuất thương mại mại hóa vẫn còn là một thách thức lớn.
Trong khám phá mới này, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã phát triển được quy trình xử lý từ dưới lên (bottom-up) để hướng đến phát triển các tấm nano zeolite.
Những tấm nano có thể dùng để tạo ra các màng lọc phân tử có chất lượng cao và chỉ dày khoảng 5 nanometer và rộng vài micrometer (rộng hơn 10 lần so với các zeolite nanosheets trước đây). Và các tấm nano mới này có sự phát triển theo hình dạng đồng nhất khiến cho nó dễ dàng tạo ra các màng mỏng dùng cho quá trình chiết lọc chất hóa học hơn.
“Các tấm zeolite này có hình dạng đồng nhất do đó nó giúp cho các màng lọc tốt hơn và có thể loại bỏ được các tạp chất”, Mi Young Jeon, tiến sỹ khoa học vật liệu và công nghệ hóa học, tác giả đầu tiên của nghiên cứu này nói.
Để phát triển được các tấm nano zeolite, các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên bắt đầu với các tinh thể nano hạt, tăng gấp đôi kích cỡ và mở rộng các bề mặt. Các tinh thể hạt này sau đó được kích hoạt tạo ra sự phát triển ghép cặp để phát triển thành tấm nano. Các tấm nano này bắt đầu xuất hiện từ góc của các tinh thể hạt và sau đó tiếp tục phát triển mạnh và bao bọc hoàn toàn hạt rồi hình thành nên một tấm nano nhiều mặt siêu mỏng và đồng nhất về kích thước và hình dạng.
“Hình dạng đồng nhất của tinh thể là một điều khá bất ngờ với chúng tôi. Trong suốt 25 năm nghiên cứu về sự phát triển tinh thể zeolite, tôi chưa bao giờ quan sát thấy bất cứ điều gì giống như vậy”, Tsapatsis nói.
Các nhà nghiên cứu khác cũng vô cùng ngạc nhiên với những kết quả nghiên cứu này. Andre Mkhoyan cho biết: “Thật thú vị khi quan sát các tinh thể mỏng này dưới kính hiển vi điện tử và nghiên cứu cấu trúc của chúng”. “Sau khi quan sát thấy một “cặp đôi song sinh” dưới kính hiển vi điện tử, chúng tôi đã biết là chúng tôi đã tìm thấy một thứ mà nó có thể giúp thúc đẩy việc phát triển các tinh thể xốp siêu mỏng”, Prashant Kumar bổ sung.
P.T.T (NASATI), Theo https://phys.org/news/2017-03-groundbreaking-ultra-selective-membranes.html, 15/3/2017