28.05.2021 - Helmholtz-Zentrum Hereon

Membranen besser verstehen

Eine neue Klasse von Membranen verspricht hochinteressante Anwendungen bei der Stofftrennung – sei es in der Biotechnologie oder der Wasserreinigung

Doch das theoretische Verständnis über diese Polymermembranen ist nach wie vor lückenhaft. Im Fachmagazin Chemical Reviews präsentieren zwei Forscher des Helmholtz-Zentrums Hereon und der Universität Göttingen nun eine Studie, die die Wissenslücken identifiziert und vielversprechende Lösungsansätze aufzeigt.

Ob bei Entsalzungsanlagen, der Abwasserreinigung oder der Abscheidung von CO2 – Membranen spielen in der Technik eine zentrale Rolle. Seit mehreren Jahren arbeitet das Helmholtz-Zentrum Hereon an einer neuen Variante: Sie besteht aus speziellen Polymeren, die gleichgroße Poren im Nanometer-Maßstab bilden. Durch diese Poren können die zu trennenden Stoffe, etwa bestimmte Proteine, regelrecht hindurchschlüpfen. Da diese Trennschichten sehr dünn und damit relativ fragil sind, sind sie mit einer schwammartigen Struktur mit weitaus gröberen Poren verbunden – sie verleiht dem Gebilde die nötige mechanische Stabilität.

„Eine Besonderheit ist, dass sich diese Strukturen in einem Akt der Selbstorganisation formen“, beschreibt Prof. Volker Abetz, Leiter des Hereon-Instituts für Membranforschung und Professor für Physikalische Chemie an der Universität Hamburg. „Das verspricht gegenüber vergleichbaren Membranen, die zum Teil aufwändig mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern produziert werden, eine relativ günstige Herstellung.“ Da die Polymermembranen hohen Durchsatz mit guter Trennselektivität verbinden, könnten sie künftig für die Biotechnologie und die Medikamentenproduktion interessant sein, aber auch in der Abwasserbehandlung Verwendung finden, etwa um unerwünschte Farbstoffe herauszufiltern.

Fortschritt durch Computersimulationen

Zwar konnte die Fachwelt in den letzten Jahren beträchtliche Fortschritte bei der Entwicklung dieser neuen Membranen erzielen. Doch um sie für bestimmte Anwendungen maßschneidern zu können, mangelt es noch an einem umfassenden theoretischen Verständnis. „Bisher war da viel Versuch und Irrtum im Spiel, und auch eine Menge Bauchgefühl“, sagt Abetz. „Jetzt sollte es darum gehen, diese Systeme möglichst grundlegend zu verstehen.“ Aus diesem Grund haben Marcus Müller, Professor für theoretische Physik an der Universität Göttingen, und Volker Abetz einen Übersichtsartikel in der Fachzeitschrift Chemical Reviews veröffentlicht. Die Arbeit fasst den bisherigen Kenntnisstand in Sachen Polymermembranen zusammen und identifiziert die vielversprechendsten Forschungsansätze, mit denen sich bestehende Wissenslücken schließen lassen.

Eine wichtige Rolle dabei spielen Computersimulationen – mit ihnen lässt sich digital nachbilden, was im Detail beim Herstellungsprozess passiert. Aber: „Das Problem ist, dass diese Prozesse überaus komplex sind und wir es mit völlig unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen zu tun haben“, erläutert Müller. „Und bislang sind wir nicht in der Lage, das alles mit einer Beschreibung abzudecken.“ Zwar gibt es Computermodelle, mit denen sich einzelne Aspekte simulieren lassen. Während manche dieser Modelle jedoch das Verhalten einzelner Polymermoleküle beschreiben, bilden andere die Membran in einem deutlich gröberen Raster nach. Bislang sind diese verschiedenen Ansätze eher vage miteinander verknüpft und auch die Beschreibung der zeitlichen Abfolge der verschiedenen Prozesse stellt eine Herausforderung dar. Für ein tieferes Verständnis wäre es vorteilhaft, wenn die Modelle besser als bislang ineinandergreifen würden.

Polymermembranen vom Reißbrett

„Die Polymermembran-Produktion lässt sich mit der Herstellung eines Soufflés vergleichen“, beschreibt Marcus Müller. „Bei beiden geht es darum, die winzigen Poren, auf die es ankommt, rechtzeitig zu stabilisieren, bevor das Ganze wieder in sich zusammenfällt.“ Unklar ist dabei unter anderem, wie und ob sich die gleichzeitige Bildung von Trennschicht und Trägerschicht gegenseitig beeinflussen und wie sich das gezielt steuern lässt. Eine weitere Frage: Wie lassen sich die Poren so anordnen, dass sie einen möglichst hohen Durchfluss durch die Membran erlauben – ein entscheidendes Kriterium für die Wirtschaftlichkeit einer Membran. „Zum Glück werden sowohl die Computer als auch die Modelle immer besser, und das sollte deutliche Fortschritte erlauben“, sagt Müller. „So können wir auf den Supercomputer JUWELS in Jülich zugreifen, einem der schnellsten der Welt.“ Womöglich helfen künftig auch die Algorithmen des maschinellen Lernens – hier könnte unentdecktes Potenzial schlummern.

Doch nicht nur die Theorie ist gefordert, auch bei den Experimenten gibt es Arbeit. „Eine große Unbekannte ist zum Beispiel die Luftfeuchtigkeit“, erzählt Volker Abetz. „Wir wissen, dass sie die Bildung einer Polymermembran entscheidend beeinflussen kann. Aber um diesen Einfluss besser zu verstehen, wird es systematische Versuchsreihen brauchen.“ Lassen sich Hürden wie diese meistern, würde das Fernziel der Forschung ein Stückchen näher rücken: „Unser Traum ist, eine Polymermembran für eine bestimmte Anwendung erst als „digitalen Zwilling“ im Computer zu konstruieren und zu optimieren, um sie dann später im Labor gezielt realisieren zu können“, sagt Abetz. „Und vielleicht können wir im Rechner sogar ganz neue Strukturen entdecken, auf die wir im Experiment niemals stoßen würden.“

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