Нанопористые мембраны широко используются в современной медицине (например, для фильтрации и разделения протеинов крови в искусственных почках). Они применяются также в ирригации для опреснения и очистки воды. Объем рынка таких мембран ежегодно превышает миллиард долларов. Технология их изготовления хорошо развита.

Она основана на осаждении полимеров из раствора, в результате чего образуются зерна микро- и нанометрового размера, области между которыми формируют систему пор, пронизывающих весь образец (см. рис. 1a). В мембранах толщиной D~500нм характерный размер пор составляет d = (1 – 50)нм. Из-за большой величины отношения D/d скорость фильтрации оказывается низкой, а сильный разброс по d приводит к тому, что через такие поры просачивается много «нежелательных» макромолекул. Толщину мембран не удается существенно уменьшить за счет выбора других исходных материалов и/или изменения технологических параметров. Поэтому единственной возможностью повысить скорость фильтрации остается увеличение d до ~ D, что, в свою очередь, делает невозможной фильтрацию частиц с d ~ 10нм.

Рис. 1. Скорость фильтрации макромолекул обычной нанопористой мембраной (a) на 1–2 порядка ниже, чем мембраной из pnc-Si (b).

Принципиально новый тип наномембран – ультратонкие слои пористого нанокристаллического кремния (porous nanocrystalline silicon, pnc-Si) – предложен в работе [1] американских ученых из Univ. Rochester (см. рис. 1b). Эти мембраны сочетают малую величину D~15нм с узкими порами. Технология их изготовления основана на комбинации быстрого отжига (при котором в процессе кристаллизации аморфной пленки кремния спонтанно образуются пустоты, прорастающие в поры) и травления (см. рис. 2).

Рис. 2. Последовательность операций при изготовлении pnc-Si мембраны.

Площадь мембран pnc-Si составляет около 40000мкм². Средний диаметр пор можно контролировать в диапазоне d = (5–25)нм путем простого изменения температуры отжига. И хотя функция распределения пор по d оказывается достаточно широкой, у нее нет «хвоста» при больших d (см. рис. 3), что дает возможность с гарантией «отсекать» нежелательные макромолекулы.

Работоспособность своих pnc-Si мембран авторы [1] продемонстрировали путем успешного разделения двух различных протеинов. Кроме того, было обнаружено, что изменение плотности поверхностного заряда мембраны позволяет сортировать нанообъекты не только по их размерам, но и по электрическому заряду.

Рис. 3. Распределения пор по диаметрам в pnc-Si мембранах, полученных путем отжига при различных температурах. На диаграммах по оси абсцисс – диаметр пор (нм), по оси ординат – площадь пор (10³ нм²)

Сравнительная простота изготовления pnc-Si мембран и возможность их интеграции с существующими медицинскими и биохимическими системами сулит им в скором времени самые разнообразные применения [2].