既可以“分离”又可以“精选”的超材料你见过吗

材料牛注：一种新的超导材料出现了，研究者可以控制化合物中原子的定向运动，这种新技术可以弥补传统蒸馏和膜分离技术的不足。

超材料的独特性能已被用来屏蔽光、振动、压力波和热量。现在，侨治亚理工学院的研究人员希望在其他方面使用超材料：以超材料为基础，发展一种新的定向分离技术。

虽然这个想法仍需实验证明，但该技术具有很大的吸引力。研究人员认为，利用操纵超材料的物质传输，有助于减少某些化学和生物反应过程中所需的能量。研究人员所提到的技术将使用特殊图案的、具有特定物理性能优点的聚合物材料来引导原子的流动。

通过屏蔽氮气和集中氧气来解释该技术对氮和氧的混合物进行分离的详细说明已经发表在Scientific Reports上。这项研究得到了美国化学学会种子基金的支持。

“我们将下一步控制原子如何穿过超材料，他们会去哪个方向，”侨治亚理工学院化学与生物分子工程学院的助理教授Martin Maldovan说。“通过设计超材料的扩散，我们可以使一种化合物的原子在一个方向扩散，而另一种化合物的原子在另一个方向扩散。我们操纵材料的物理性质以控制原子通过超材料壳的方向。”

Maldovan和研究生助理Juan Manuel Restrepo-Flórez已经使用计算技术评估了超材料，并计划在今年夏天建立一个原型分离装置。他们的研究成果可能在化学制造、半导体晶体生长、生物溶质、化学品废物回收和生产人工肾脏等方面得到应用。

超材料技术可以补充传统的通过改变溶解度和扩散控制化学品通道的过滤膜的功能，“在超导材料壳里面，你可以控制一个原子做一件事，而另一个原子做别的事情，”Maldovan说。“我们的超材料会控制流量，因为它们是各向异性的——某些方向是由结构自身决定的，而我们可以控制原子的方向。”

Maldovan对于传质超材料的计划使用四种不同类型的聚合物：两种具有高扩散性，两种具有低扩散性。各材料的块状图案和大小通过数学算法来确定。

“有了这个超材料，我们可以利用材料的各向异性控制原子去向，”Maldovan解释说。“这使分离技术基于溶解度和扩散又增加的一个重要参数，我们已将这个参数添加到化学工程师的工具箱里：发送原子到何处。”除了分离原子，超导材料浓缩原子的能力允许传感器以检测更稀的材料，实质上放大了可用的化学信号。

这种新的分离过程不会取代传统的蒸馏和膜分离技术，反而可以提高它们的性能，Maldovan说，“蒸馏和蒸发都是非常耗能的，但他们是化工行业的主力。膜工艺已被开发以减少能源消耗，我们的目标是提供一种使用更少能量的技术。这会有助于开发更好和更有效的膜技术，以便提供更好的分离技术。”

原文参考地址：New metamaterial can separate and concentrate

感谢材料人编辑部杨志涛提供素材。