高角环形暗场扫描透射电镜助力新一代反渗透膜研发

概要：反渗透膜广泛用于海水淡化、废水回收和家庭应用。化学工程师们表示，样品的认真制备、电子断层扫描和3D模型定量分析为反渗透膜内部结构观察提供了有利条件。

如图所示为聚酰胺薄膜的内部结构。图片来源：Enrique Gomez，宾州州立大学

反渗透膜广泛用于海水淡化、废水回收和家庭应用。根据化学工程师团队的说法：样品的认真制备、电子断层扫描和3D模型定量分析为反渗透膜内部结构的观察提供了有利条件。

这些反渗透膜是带有活性芳香族聚酰胺层的材料层，可允许水分子通过。但会过滤掉99%到99.9%的盐分。

来自宾州州立大学的化学工程教授Enrique Gomez说：“随着水压持续增加，需要性能更为优异的膜来提高水的回收率、防止水污染、延长过滤模块寿命，同时还需保持合理成本以确保全球范围内都可以进行推广使用。了解其内部结构及其影响水运输性能的方式，对于设计具有更长使用寿命、能在不同条件下发挥作用的下一代薄膜至关重要。”

Gomez和他的研究团队利用高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)断层扫描，来观察聚酰胺薄膜的内部结构。HAADF-STEM的图像强度与材料密度成正比，可将材料映射到纳米分辨率。

“我们发现聚酰胺层的密度并不是均匀的，”Gomez说道，“在整个薄膜中，其变化是不同的。这种情况下，材料表面密度最高。”

这一发现改变了工程师们对水如何通过这种材料的看法。因为这种材料的流动阻力不是均匀的，显然在膜表面的阻力最大。

HAADF-STEM允许研究人员构建膜内部结构的3D模型。通过这些模型，他们可以分析膜的结构组成，并确定哪些特性是膜所须保持的功能。另外，这些模型还能帮助研究人员了解哪些特性是能够被操纵以提高膜的寿命、防污并提高水的回收率。

通过HAADF-STEM揭示的另一个特征是先前报道的封闭空隙的存在，或者更确切地说是不存在。研究人员认为，膜的精细结构将包含封闭的空隙空间，可以捕获水并改变流动模式。3D模型显示：在所研究的最先进材料中几乎没有封闭空隙。

“孔隙度、密度和表面积的局部变化将导致在膜内通量的不均匀性。因此，将化学、微观结构和用于反渗透、超滤、病毒和蛋白质过滤以及气体分离的膜的性能相结合，需要来自诸如电子断层扫描等此类技术的3D重建。研究人员在最近一期“National Academy of Sciences”《美国国家科学院院刊》上报道。

研究人员希望将这项技术的分辨率提高到1nm以下。

“我们不知道这些材料中是否存在亚纳米孔，我们希望能够推动我们的技术，看看这些通道是否存在，”Gomez说道。“我们还希望描绘水是如何通过这些材料。这直接和微观结构是如何影响水流相关联。为达到我们的目的，可以通过穿过膜的特殊化合物进行标记或染色，并在电子显微镜中可视化。”

原文来自sciencedaily，原文题目：3D electron microscopy uncovers the complex guts of desalination membranes，由材料科技在线团队翻译整理。