Хіміки зі США та Саудівської Аравії синтезували кілька сходових полімерів і приготували з них мембрани для поділу газів. Виявилося, що кілька отриманих мембран при старінні протягом декількох місяців стають більш селективними і зберігають високу проникність. Крім того, вони побили рекорд по селективності для деяких сумішей газів, пишуть вчені в.
У промисловості гази найчастіше поділяють простою дистиляцією. За допомогою неї, наприклад, отримують кисень, аргон, вуглекислий газ і азот з повітря. Але цей процес дуже енерговитратний - повітря доводиться сильно охолоджувати. І одна з можливих замін дистиляції - поділ за допомогою мембран. Воно засноване на тому, що через різницю у формі і розмірах молекул, деякі гази легше проникають через пористу мембрану, ніж інші. Ефективність мембрани в поділі газів можна оцінити, якщо виміряти її проникність (тобто здатність швидко пропускати через себе великий обсяг газу) і селективність (вона показує, скільки молекул одного газу проходить через мембрану в розрахунку на одну молекулу іншого газу).
Проривних результатів у галузі поділу на мембранах хіміки досягли в 2005 році. Вони отримали сходові полімери, в яких жорсткі цикли з атомів вуглецю погано упаковувалися в щільну структуру. За рахунок цього між ланцюгами було багато вільного простору, через який гази легко проникали. З того часу більшість газороздільних мембран вчені отримували саме зі сходових полімерів.
Хіміки під керівництвом Ся Яня (Xia Yan) зі Стенфордського університету змогли синтезувати сходові полімери, мембрани з яких виявилися дуже ефективними в поділі газів. Почали хіміки з синтезу тривимірного сходового полімеру з циклічними фрагментами з чотирьох атомів вуглецю. Вони отримали кілька симетричних вуглеводнів з подвійними зв'язками, а потім ввели їх у реакцію полімеризації з дибромпараксилолом у присутності паладієвого каталізатора. Через 48 годин нагрівання при температурі в 150 градусів Цельсія хіміки отримали кілька термостабільних сходових полімерів з великими молекулярними масами (від 67 до 170 кілодальтон).
З отриманих полімерів вчені приготували мембрани товщиною від 50 до 60 мікрометрів, а потім досліджували їх ефективність у поділі газів. Всі отримані мембрани мали хорошу проникність, але середню селективність. Однак хіміки виявили, що одна з мембран Me-Me2F з часом почала розділяти гази значно більш селективно. Наприклад, в експерименті з еквімолярною сумішшю метану і водню мембрана стала майже в 90 разів більш селективною, ніж була 158 днів раніше.
Це явище хіміки пов'язали зі старінням - так називають процес, при якому обсяг пір у структурі мембрани зменшується з часом. Автори вважають, в структурі їх полімеру зменшилися тільки найбільші пори, і великі молекули газів (наприклад, метан або азот) стали гірше проникати через мембрану. Але це не вплинуло на проникність невеликих молекул (водень або кисень), при цьому селективність полімеру сильно збільшилася, а проникність зменшилася незначно.
В результаті хіміки отримали ефективні мембрани для поділу газів, які з часом ставали більш селективними, але при цьому зберігали високу проникність. Крім того, мембрани з полімерів Me-Me2F і Me-DHP побили рекорд 2018 року в ефективності поділу сумішей вуглекислого газу і метану (селективність склала 49 молекул вуглекислого газу на одну молекулу метану при загальному тиску в 2 бари).
Полімери застосовують не тільки для поділу газів, але і в біоелектроніці. Наприклад, нещодавно ми розповідали, як за допомогою біосумісного полімера хіміки простежили за м'язовою активністю тварин.