Symbolbild Institut für Membranforschung

Themenschwerpunkte

Intelligente Nanostrukturen und (multi-)funktionale Membranen bieten attraktive und gestaltbare Plattformen für eine Vielzahl neuer Anwendungen und fortschrittlicher Technologien. Die Abteilung "Selbstorganisation und funktionelle Nanostrukturen" erforscht die Entwicklung von Nanostrukturen und neuartigen Membranen mit gewünschten Eigenschaften und Funktionalitäten, z. B. erhöhte Selektivität, Adsorptionskapazität oder katalytische Aktivitäten für neuartige Trenn- und Reaktionstechnologien.

Für das molekulare Engineering von strukturell wohldefinierten Membranen werden systematische Experimente und unterschiedliche Charakterisierungsmethoden (vorwärts gerichtete Ansätze) mit computergestützten Methoden
(rückwärts gerichtete Ansätze) kombiniert, um umfassende Einblicke in die Entstehung und Alterung von Membranen
sowie ein tiefes Verständnis der Beziehungen zwischen Verarbeitung, Struktur und physikochemischen Eigenschaften von Membranmaterialien zu gewinnen.

Der Schwerpunkt der Forschung liegt vorrangig auf umweltfreundlichen Ansätzen in der Polymersynthese und der Herstellung von Hochleistungsmembranen mit verschiedenartigen Geometriekonfigurationen sowie der Digitalisierung für eine nachhaltige Entwicklung von Herstellungsprozessen. Darüber hinaus können maßgeschneiderte Strategien für eine Modifizierung der Membranoberfläche und der Nanoporen/Nanokanäle eingesetzt werden, um intelligente Transport- oder Trennmechanismen zu ermöglichen. Zusätzlich können synergistische Kombinationen verschiedener Funktionen integriert werden, um (multi-)funktionale Membranen zu entwickeln.


Sustainable Bcp Synthesis-membranes Neu_

Nachhaltige Synthese von Blockcopolymeren für (multi-)funktionelle Membranen
Grafik: Hereon/Lara Hub

Funktionelle Membranen wie Smart Gate Membranen, hybride Adsorptions- sowie Nano- und Ultrafiltrationsmembranen mit präzise gestalteter Oberflächen- und Porenchemie oder geordneten gleichmäßigen Poren im Nano-/Subnanometerbereich stellen eine neue Generation von Membranen für präzise Trennungen und aufstrebende Anwendungen dar.

Um diese anspruchsvollen Konzepte in unserer Abteilung voranzutreiben, werden selbstorganisierte Materialien und Polymere mit maßgeschneiderter Architektur und Chemie (z. B. Blockcopolymere und Polyelektrolyte) sowie einstellbare Herstellungsansätze (z. B. SNIPS oder Beschichtung) eingesetzt, um integral-asymmetrische Membranen oder Verbundmembranen (z. B. isoporöse Membranen) mit gewünschten funktionellen und strukturellen Eigenschaften (z. B. Porengröße und -länge) herzustellen.

Der Schwerpunkt der Aktivitäten liegt auf nachhaltigeren und einfacheren Ansätzen für die Polymersynthese (z. B. photoRAFT-Polymerisation in umweltfreundlichen Lösungsmitteln) und Polyermodifizierung sowie auf der Nachbehandlung von Membranen. Zur Entwicklung von (multi-)funktionalen Membranen mit neuartigen Eigenschaften und zur Erweiterung des potenziellen Nutzens in praktischen Anwendungen (z. B. fortgeschrittene Wasseraufbereitung und Ressourcenrückgewinnung) werden spezielle chemische, geladene oder schaltbare Funktionalitäten in das Polymer oder auf den Membranen entlang der Poren integriert.

Different Spínnerets Hf Membranes

Unterschiedliche Spinndüsen für ein- und mehrlagige Hohlfasermembranen
Grafik: Hereon/Joachim Koll

Hohlfasermembranen, die in unterschiedlichen Durchmessern und mit feiner Filterleistung hergestellt werden, haben ein großes Potenzial für die hocheffiziente Aufbereitung von Oberflächen- und Grundwasser bis hin zur Reinigung verschmutzter Abwässer, sowie für biomedizinische Anwendungen (z. B. Hämodialyse) und die Gastrennung.

Unsere Abteilung entwickelt neuartige Hohlfasermembranen auf der Basis von Polymeren und Blockcopolymeren, indem sie ein Herstellungsdesign entwickelt, das den Spinnprozess mit einer effektiven Modifizierungs- oder Funktionalisierungsstrategie zur Verbesserung der Membraneigenschaften und -leistung verknüpft.

Die Optimierung von Schlüsselparametern für den Spinnprozess und die Nachmodifizierung sind von entscheidender Bedeutung, ebenso wie die Synthese und die maßgeschneiderte Gestaltung der Polymerchemie. Daher werden die werkstofflichen und verfahrenstechnischen Grundlagen des Hohlfaserspinnens im Detail untersucht.

Je nach gewünschtem Eigenschaftsprofil der Membranen werden sowohl die Polymerlösungen individuell angepasst als auch die für den Spinn- bzw. Beschichtungsprozess notwendigen Prozessbedingungen ermittelt. Die anschließende Charakterisierung der Membranen ist von entscheidender Bedeutung, da mit deren Ergebnissen die Entwicklung der Membranen gezielt vorangetrieben wird.

Animated Hollow Fibers

Hohlfasermembranen
Hereon/Joachim Koll

Das intelligente Design von Nanofasern (z. B. poröse, ausgerichtete und Zweikomponenten-Nanofasern) mit einzigartigen Merkmalen, innovativer Geometrie und multifunktionalen Eigenschaften bietet hervorragende Möglichkeiten für Anwendungen in den Bereichen Energie, Sensorik, Biomedizin, Umwelt und Nachhaltigkeit sowie für katalytische Aktivitäten.

Wir verwenden Polymere und nanostrukturierte Materialien zur Herstellung von Membranen auf Nanofaserbasis
(z. B. für die Abwasseraufbereitung) und neuartigen Nanofasern mit komplexer Morphologie (z. B. Kern-Schale) durch verschiedene Herstellungsverfahren wie konventionelles oder koaxiales Elektrospinnen. Die strukturellen Merkmale und physikochemischen oder funktionellen Eigenschaften der Nanofasern und Membranen werden so optimiert, dass sie den Leistungsanforderungen der Anwendungen entsprechen.

Die Forschung konzentriert sich auf das Verständnis des Einflusses von Schlüsselparametern auf die Faserbildung sowie auf Adsorptions-/Desorptionsmechanismen und Transportkinetik/ -eigenschaften von Wasser, Ionen und Molekülen in miteinander verbundenen Poren und mesoporösen Strukturen für die explizite Entwicklung und Herstellung von nanofaserbasierten Membranen.

Animated Electrospun Fibers

Elektrogesponnene Nanofasern
Hereon/Joachim Koll

Digital Twins for a Smart Design of Membranes

Digitale Zwilling für ein intelligerntes Design von
Membranen
Hereon/Grafik: Oliver Dreyer

An der Herstellung und Bildung von Polymer- und Blockcopolymer-basierten Membranen sind multiple Nicht-Gleichgewichtsprozesse beteiligt (z. B. makromolekularer Aufbau, Lösungsmittelverdampfung, externe Felder und Phasentrennung). Die Entwicklung innovativer Membranen und Herstellungsverfahren setzt ein grundlegendes wissenschaftliches Verständnis der Wege und Mechanismen der Membranbildung sowie der Wechselwirkungen zwischen Lösung und Membran voraus.

In Zusammenarbeit mit Partnern verfolgen wir die Strategie, experimentelle und theoretische Studien mit computergestützten Strategien (z. B. Modellierung und Simulationen) zusammenzuführen, um tiefe Einblicke in die Strukturentwicklung während der Membranbildung zu gewinnen.

Das komplexe Zusammenspiel von Thermodynamik und Kinetik bei der Membranbildung bestimmt die endgültige Nichtgleichgewichtsstruktur und steuert die Membraneigenschaften. Computergestützte Ansätze können ausgebaut werden, um den Transport und die Eigenschaften von porösen Nanostrukturen mit komplexen geometrischen Merkmalen zu modellieren und vorherzusagen.

Durch systematische Experimente können umfangreiche Datensätze gesammelt werden, die die Validierung und Optimierung von Modellen und Methoden der künstlichen Intelligenz unterstützen. Durch die kombinierten Forschungsaktivitäten können wir digitale Zwillinge entwickeln, die unsere experimentellen Verfahren für die intelligente Entwicklung neuer Membranmaterialien und ihrer Herstellung erleichtern.