什么都不是：隐藏的空虚如何定义过滤材料的有用性

从天文到微观，物质中都存在着各种尺度的空隙。在一项新的研究中，研究人员使用高性能显微镜和数学理论揭示了三维纳米级的空隙。这一进步有望提高家庭、化学、能源和医疗行业中使用的许多材料的性能，尤其是在过滤领域

放大家庭中使用的常见过滤器表明，虽然它们看起来像一块有均匀孔的固体材料，但实际上它们是由数百万个随机定向的微小空隙组成的，这些空隙允许小颗粒通过。在一些工业应用中，如水和溶剂过滤，纸薄膜构成了分离流体和颗粒的屏障

“材料科学界已经意识到滤膜中这些随机取向的纳米级空隙有一段时间了，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生Falon Kalutantirige说

“问题是，整个膜的复杂结构——放大后看起来像纳米级山脉——阻碍了我们对空隙空间的观察。因为我们看不到它们，我们无法完全理解它们是如何影响过滤性能的。我们知道，如果我们能找到一种方法来观察它们，我们就能弄清楚它们是如何工作的，并最终提高过滤膜的性能。”

这项研究由伊利诺伊州材料科学与工程教授钱晨和威斯康星大学麦迪逊分校教授李英指导，是第一个将材料科学与一种名为图论的数学概念相结合的研究，以帮助对过滤材料中这些空隙的随机位置进行成像和绘制。研究结果发表在《自然通讯》杂志上

研究人员表示，在之前使用实验室模型的研究基础上，新研究的重点是工业应用中使用的更复杂的膜

该研究的第一作者Kalutatirige说：“我们在这项工作中研究的膜表面肉眼看起来是平坦的，但当我们使用透射电子显微镜、电子断层扫描和原子力显微镜放大时，我们可以观察到这些空隙位于这些纳米级山区景观中，我们称之为褶皱。”

然而，该团队需要一种方法来测量和绘制这些特征，以建立定量预测模型，并获得更全面的膜表面图像

陈说：“映射和测量本身将适用于具有规则或周期性结构的材料，使扩大我们的模型和预测结构特性将如何影响材料性能在数学上变得简单。”

“但我们在研究中观察到的不规则性促使我们使用图论，这为我们提供了一种数学方法来描述这种异质且混乱但实用的材料。”

图论帮助团队最终对滤膜结构有了更全面的了解，这使他们发现了随机空隙的独特物理和机械特性与改进的过滤性能之间的强烈相关性

“我们的方法是描述材料的一种非常通用的技术，”Kalutantirige说。“我们在日常生活和科学中使用的许多东西都不是由重复均匀结构组成的材料制成的。因此，我认为，这种方法的美妙之处在于，我们可以捕捉到不规则结构的‘规则性’。”

该团队表示，这一进步将提高许多下一代多孔材料的有效性，例如用于药物递送的聚合物

“这项研究的标题暗示了‘超越虚无’的概念，我们的意思是，当涉及到开发最好的过滤膜时，这些空洞的空间真的很重要，”陈说。“只有我们出色的合作团队才能完成这项工作。肖苏帮助我们进行了膜性能测试。Emad Tajkhorshid、Charles Schroeder和Jeffrey Moore与我们一起进行了聚合物系统的合成和分析。”

Chen还隶属于化学和生物分子工程、化学、材料研究实验室和贝克曼高级科学技术研究所。来自华盛顿大学麦迪逊分校的何金龙；韩国全南国立大学的Hyosung-An；伊利诺伊州的研究人员Lehan Yao、Stephen Cotty、Shan Zhou和John Smith也参与了这项研究