Физики при помощи ультрафиолета и раствора уксусной кислоты превратили цельный кусок полистирола с включениями органического стекла в нанофильтр, опубликовав свои выводы в статье в журнале Nature Materials.

Группа ученых под руководством Исана Сивании (Easan Sivaniah) из Кэмбриджского университета (Великобритания) использовала оргстекло и уксусную кислоту крайне оригинальным способом: эти соединения стали «запалом» и «взрывчатым веществом» микровзрывов, возникших внутри бруска полистирола благодаря эффекту так называемого осмотического шока.

Осмотический шок возникает в растворе, части которого разделены мембраной, пропускающей одни молекулы и задерживающей другие. Повышенная концентрация какого-либо вещества в одной из половин емкости создает разницу в давлениях между половинами. Это заставляет раствор выравнивать концентрацию путем перемещения «лишних» молекул растворителя из второй половины в часть с высокой концентрацией вещества, в результате чего эта часть емкости раздувается и лопается.

Рассчитывая добиться подобного эффекта, Сивания и его коллеги подготовили небольшой брусок пластика из двух типов полимера – полистирола и оргстекла.

Ученые залили прямоугольную форму раствором двойного полимера, извлекли брусок и осветили его жестким ультрафиолетовым излучением. Лучи ультрафиолета «склеили» параллельные слои полистирола между собой и разбили длинные молекулы из оргстекла на олигомеры (цепочки из нескольких десятков звеньев).

Следующим шагом физики поместили заготовку в раствор уксусной кислоты. В этом случае полистирол выступает в роли мембраны, пропускающей молекулы растворителя, уксусной кислоты, и не пропускающей само вещество – олигомеры органического вещества.

Как и ожидали ученые, молекулы уксусной кислоты проникли внутрь бруска из полистирола и начали «раздувать» цепочки молекул органического стекла. Через некоторое время оргстекло «взорвалось» и его олигомеры покинули брусок вместе с уксусной кислотой.

Физики просушили полученный материал и изучили его структуру при помощи электронного микроскопа. Оказалось, что брусок состоит из множества пористых слоев полистирола толщиной в 65 нанометров, которые соединялись друг с другом «лесом» из полимерных «колонн».

К удивлению ученых, на поверхности пленки отсутствовали крупные поры, заметные для электронного микроскопа. Тем не менее, пленка хорошо пропускала воду и другие виды жидкости, что указывает на наличие микропор на ее поверхности.

По расчетам авторов статьи, верхний слой бруска был покрыт мельчайшими отверстиями диаметром в 1–2 нанометра.

Исследователи проверили эффективность своего изобретения, пропуская через «бутерброд» из пленки пористого материала и ультрафильтрующей мембраны растворы двух популярных красителей – малахитового зеленого и метилового оранжевого. Оказалось, что такое комбинированное устройство фильтрует воду примерно от 250 до 2 тысяч раз лучше, чем одна ультрафильтрующая мембрана.

Исследователи отмечают, что схожие методы могут использоваться и для производства неорганических материалов на основе металлов и других веществ. Подобные структуры могут также применяться для исследований в области фотоники и оптоэлектроники.

«На текущий момент наше устройство представляет собой весьма эффективную систему фильтрации, которая может быть найти свое место в странах с плохим доступом к чистой питьевой воде. Кроме того, она может быть использована для очистки почвенных вод от тяжелых металлов и продуктов промышленного производства», – заключает Сивания.