Wissenschaftler haben eine neue Klasse hochselektiver kristalliner Membranen entwickelt, die Moleküle mit einer Genauigkeit von einem Nanometer trennen. Die sogenannten „POMbranes“ nutzen Poren genau dieser Größe, um größere Moleküle zurückzuhalten und kleinere durchzulassen. Das Verfahren könnte den Energieverbrauch in der Industrie senken und die Wiederverwendung von Abwasser sowie die Reinheit von Arzneimitteln verbessern. Die Studie erschien im Journal of the American Chemical Society.
Industrielle Trennprozesse wie die Reinigung von Medikamenten, die Entfernung von Textilfarbstoffen oder die Lebensmittelverarbeitung verbrauchen weltweit 40 bis 50 Prozent der industriellen Energie. Herkömmliche Methoden wie Destillation und Verdampfung sind teuer und emissionsintensiv. Polymer-Membranen gelten als umweltfreundlicher, leiden jedoch unter unregelmäßigen Porengrößen und schneller Alterung.
Die neuen POMbranes basieren auf Polyoxometalat-Clustern (POM), die natürliche, unveränderliche Löcher von exakt einem Nanometer Durchmesser besitzen. Diese kronenförmigen Metallcluster wurden mit flexiblen chemischen Ketten versehen. Auf Wasser ausgebreitet richten sie sich selbst aus und bilden ultradünne, defektfreie Filme über große Flächen. Durch Anpassung der Kettenlänge lässt sich die Packungsdichte steuern, sodass Moleküle nur durch die festen Poren passieren können.
Die Membranen trennen Moleküle, die sich um lediglich 100 bis 200 Dalton unterscheiden – eine Präzision, die konventionelle Polymermembranen kaum erreichen. Sie sind flexibel, stabil über weite pH-Bereiche und skalierbar in großen Bögen. Tests zeigten eine bis zu zehnfach bessere Trennleistung im Vergleich zu bestehenden Technologien.
Besonders relevant ist die Technologie für Indien. Die Textil- und Bekleidungsbranche trägt über 2,3 Prozent zum BIP bei und erwirtschaftet einen Inlandsmarkt von 160 bis 225 Milliarden US-Dollar, der bis 2030 auf 250 bis 350 Milliarden wachsen soll. Färberei und Veredelung erzeugen jedoch große Mengen verschmutzten Abwassers. Die Membranen könnten Farbstoffe selektiv entfernen und Wasser recyceln, was Frischwasserverbrauch und Chemikalienabgabe reduziert.
In der Pharmaindustrie ermöglichen sie energieeffiziente Reinigung und Lösemittelrückgewinnung bei hohen Reinheitsanforderungen. Die Membranen sind vielseitig einsetzbar und stabil unter anspruchsvollen chemischen Bedingungen. Sie könnten die Grundlage für nachhaltigere Fertigungsverfahren bilden.
Das Team kombinierte Expertise aus Materialwissenschaften, Chemie und Simulationen. Molekulare Simulationen erklärten das Funktionsprinzip auf atomarer Ebene. Die Arbeit zeigt, wie biologisch inspirierte Präzision – ähnlich wie bei Aquaporinen – in skalierbare Materialien übertragen werden kann.
Die POMbranes adressieren zentrale Herausforderungen der Industrie: Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Umweltschutz. Sie bieten eine Plattformtechnologie für Trennprozesse in Textil, Pharma und Chemie. Die Forscher sehen großes Potenzial für den breiten Einsatz in der nachhaltigen Produktion.
