正確な分子ふるいのための極薄フィルム内の整列した大環状細孔

Nature volume 609、pages 58–64 (2022)この記事を引用

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メトリクスの詳細

ポリマー膜は、脱塩 1、有機溶媒ナノ濾過 2、3、原油分別 4、5 などの分離プロセスで広く使用されています。 それにもかかわらず、ポリマー中の十分に定義されていない空隙の分子変動のため、サブナノメートルの細孔の直接的な証拠とそのサイズを操作する実行可能な方法は依然として困難です6。 固有の空洞を持つマクロサイクルは、この課題に取り組む可能性があります。 しかし、区別できない反応性を持つ官能化されていない大環状化合物は、厚さ数百ナノメートルのフィルム内で無秩序なパッキングをする傾向があり 7、8、9、キャビティの相互接続や貫通孔の形成を妨げます。 今回、我々は、極薄ナノフィルム全体に明確な細孔を形成するために優先的に整列する、差別化された反応性を有する選択的に官能化された大環状化合物を合成した。 秩序構造は、ナノフィルムの厚さを数ナノメートルまで減らすことによって強化されました。 この配向構造により、大環状分子のアイデンティティーを変えることでオングストロームの精度に合わせたサイズで、ナノフィルム表面のサブナノメートルの大環状細孔の直接視覚化が可能になりました。 整列した大環状分子膜は、無秩序な対応物と比較して 2 倍のメタノール透過性と高い選択性を提供しました。 ここではカンナビジオールオイルの濃縮を例に挙げましたが、高価値の分離に使用すると、市販の最先端の膜よりも 1 桁速いエタノール輸送と 3 倍高い濃縮を達成しました。 このアプローチは、高分子膜にサブナノメートルのチャネルを作成するための実現可能な戦略を提供し、正確な分子分離の可能性を実証します。

ほとんどの分離膜の重要な特徴はその細孔構造であり、非常に求められている利点は細孔サイズの正確な制御です。 しかし、これまでのところ、サブナノメートルの細孔の形状やそのサイズの正確な制御についての基本的な理解はありません 10,11。 従来のポリマー膜では、線状ポリマーの充填または架橋ポリマーのネットワーク構造によって生成される相互接続されたミクロボイドからサブナノメートルの細孔が生じます。 固有の微細孔を有する線状ポリマーは、その剛直な骨格により高い自由体積の微細孔を提供します 6 が、細孔の崩壊につながる物理的な老化とポリマーの緩和を受けます 12。 界面重合によって作製された架橋ポリマーネットワークは、耐久性のある膜性能を実証しています2。しかし、急速かつ確率的な架橋反応により、ミクロボイド構造を正確に制御することが困難になります。

共有結合性有機フレームワーク（COF）13、金属有機フレームワーク（MOF）14、多孔性有機ケージ（POC）15などの多孔質材料は、それらの固有の空洞/開口部が膜細孔に変換される可能性がありますが、これまでの研究では避けられない障壁に直面していました。粒界または不規則な充填。 最近、シクロデキストリンなどの永久空洞を持つ大環状化合物が、界面重合によってポリエステル分離層に架橋されています 7,8。 空洞は固有の膜細孔として保存されていると仮定されました。 しかし、官能化されていないシクロデキストリンの広い縁と狭い縁の両方に、アルカリ条件下で同様の反応性のヒドロキシル基が豊富に含まれているため、界面反応中にランダムな架橋が発生し、100 nmを超える厚さの膜が形成されました7,8（図1a）。 区別できない反応性のアミンを含む大環状化合物も、激しい界面重合中に確率的に反応して固まる傾向があります9。 この非選択的架橋により、大環状分子内の隣接する空洞が整列した貫通孔を形成する可能性が減少し、空洞サイズより小さい分子の予想外に高い拒絶反応が説明されます 7,8。 本質的に、均一な大環状空洞サイズは、異なる溶質間の鋭い選択性を達成するために必要な均一な膜細孔サイズには変換されなかった。

a、非官能化ヒドロキシル前駆体、シクロデキストリンまたは4-スルホカリックス[4]アレーンナトリウム塩から合成されたアミノ官能化大環状化合物。 官能化されていない大環状分子から作製された無秩序なチャネルを組み込んだ厚膜とは対照的に、整列した大環状チャネルを組み込んだ極薄ポリアミドナノフィルムが、アミノ大環状分子を含む水溶液と塩化アシルを含むヘキサン溶液との間の自由界面に作製された。 b、整列した大環状分子を組み込んだナノフィルムによる分子ふるいを示す概略図。

課題は、多孔質材料を規則的な方向に配置して、その内部空洞が直線状のサブナノメートルの浸透チャネルを提供するように位置合わせすることです。 ここでは、有機溶媒ナノろ過 (OSN) における正確な分子ふるいのために、極薄ナノフィルム内でアミノ官能基化大環状分子を整列させ、明確に定義されたサブナノメートルの細孔を作成します。 アミノ官能化大環状化合物は、シクロデキストリンと 4-スルホカリックス[4]アレーン ナトリウム塩 (SC[4]A) の上部 (狭い) 縁にある一級ヒドロキシルを反応性の高いアミン基に選択的に官能基化し、下部 (広い) 縁を官能基化することによって合成されました。リムは変更されていません（図1aおよび補足図1）。 核磁気共鳴（NMR）およびフーリエ変換赤外（FTIR）分光法により、それらの形成が確認されました（補足図2〜22および表1）。 長く柔軟なウレタン結合により分子内水素結合が減少するため、これらのアミノ官能化大環状化合物は中性条件で水に良好な溶解性を示しました16。 自由界面で塩化アシル (例: 塩化テレフタロイル、TPC) と重合すると、反応性の高いアミンを含む上部の縁が優先的に有機相に向かって上を向いて架橋反応が起こり、非反応性の下部の縁が下を向いて水溶液に入ります (補足図23)。 その後、大環状分子が架橋極薄ナノフィルムを通して優先的に整列して、明確に定義されたサブナノメートルのチャネルを形成します。これにより、サイズ差がわずか0.2 nmの溶質に対して正確な分子ふるいが可能になります（図1b）。 対照的に、他の合成経路ではアルカリ条件を必要とする水不溶性誘導体が生成されます17。 これにより、下端のヒドロキシル基が脱プロトン化され、架橋反応が引き起こされ、大環状分子がランダムに詰め込まれます。

自由な水性有機界面で調製されたナノフィルムは柔軟で堅牢であり、ロッドを使用して変形しても破損したり裂けたりする兆候はありませんでした（図2a）。 官能化されていない大環状分子を同じ条件で代わりに使用した場合、フィルムは観察されませんでした（補足図24）。 ナノフィルムをより大きな面積にスケールアップしても、機械的強度は維持されました。 図2bは、肉眼的に欠陥のないまま、水と空気の表面に転写されたA4シートサイズ（21×29.7cm2）の自立型ナノフィルムを示しています。 この機械的完全性により、自立型ナノフィルムを限外濾過支持体上に転写して複合膜を提供することが可能になった。 スケールアップの可能性を考慮すると、A4 シート サイズのメンブレンはプレート アンド フレーム 18 または封筒型モジュール 3 での使用に適しています。 自立型ナノフィルムは、二層スロットコーティング 19 またはその場自由界面重合 20 によって連続的に製造されており、産業用途向けにスパイラルモジュールに巻き付けることが可能です。

a、ピンロッドによる変形下で自由界面に形成されたナノフィルムの写真。 スケールバー、1cm。 b. 水と空気の表面に転写された後の自立型ナノフィルムの A4 シートの写真。矢印はナノフィルムの端を示しています。 スケールバー、5cm。 c、0.1 wt% のアミノ官能化 β-シクロデキストリン (β-CDA) と 0.1 wt% TPC を 1 分間反応させて作製したナノフィルム (β-CDA-TPC-0.1) の SEM 表面および断面 (挿入図) 画像。遊離界面を除去し、その後アルミナ支持体上に転写します。 スケール バー、1 μm (挿入図) および 500 nm (メイン)。 d、シリコンウェーハ上のナノフィルム（β-CDA-TPC-0.01）のAFM高さ画像。 スケールバー、200 nm。 e、dでスキャンされたラインの高さプロファイル。 f、g、ナノフィルム（β-CDA-TPC-0.01）のGI-WAXS二次元（f）および一次元（g）画像、ここでQ|| はナノフィルム表面に平行な逆空間（｜｜）を示し、Ｑ⊥はナノフィルム表面に垂直な逆空間（⊥）を示す。 au、任意の単位。 h、小さなキャビティ（α-CDA-TPC-0.01）、中程度のキャビティ（β-CDA-TPC-0.01）および大きなキャビティ（γ-CDA-TPC-0.01）を組み込んだナノフィルムのUHV AFM高さ画像。 スケールバー、1 nm。 i、hで走査された線の高さプロファイル。ピーク間を移動した横方向の距離が細孔の幅を示します。 j、各大環状分子の複数の UHV AFM サンプルから抽出されたナノフィルム表面の細孔サイズ分布。

表面および断面の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像は、0.1 wt% のアミノ官能化 β-シクロデキストリン (β-CDA) と 0.1 wt% TPC を 1 分間反応させて調製したナノフィルム (β-CDA-TPC) を含む複合膜を示しています。 -0.1）を水と有機の界面で観察し、その後アルミナ支持体に転写しました（図2c）。 濃度を操作することで、ナノフィルムの厚さを確実に制御できます（補足図25〜29）。 原子間力顕微鏡（AFM）は、ナノフィルム（β-CDA-TPC-0.01）の厚さが約3.5 nmであることを示しました（図2d、e）。これは、3つの整列したシクロデキストリンユニットに相当します。 これは、ランダムに詰められたシクロデキストリンから作成されたポリエステル層よりも 30 分の 1 の薄さです7。

斜入射広角X線散乱(GI-WAXS)により、重合後に高度の優先配向を有する結晶性ナノフィルム(β-CDA-TPC-0.01)が形成されたことが確認された。 おそらく低屈折率の回折特徴の実空間位置が、大環状分子の予想サイズとよく一致していることに注目します（図2f）。 さらに、抽出された一次元 X 線散乱プロファイルは Q|| にピークを示します。 = 1.20およびQ⊥ = 1.74、1.88Å-1（図2g）、支持基板に対して垂直に整列している大環状細孔によって形成されたチャネルと一致しています。 補間された線形 X 線散乱パターンの位置と相対強度は、隣接する層間に主に日食で積み重ねられた大環状分子と一致しています。 これらの GI-WAXS パターンにおける強度の分布は、単一の点を中心とするのではなく、優先的に分布する強度の円弧として見られます。 これは、大環状分子が膜内で主に整列しているのに対し、この整列にはある程度の分布が観察されることを示しています。 これは、さまざまな構造で形成できる結合を含む柔らかい材料に固有の柔軟性があるため、予想されます 21。

優先的な整列により、ナノフィルム表面に向かって直立した大環状細孔が提供され、その細孔形状の視覚化が可能になります。 超高真空（UHV）AFMは、整列したアミノ官能化シクロデキストリン、α-CDA、β-CDA、およびγ-CDAを組み込んだナノフィルムの表面にサブナノメートルの細孔を示します（図2h）。 たとえば、図2hのプロファイルラインに沿って移動した横方向の距離は、媒体キャビティβ-CDAの細孔幅約0.6 nmを反映しており（図2i）、これは理論上縁直径0.61 nmによく対応しています（補足表） 2)。 このナノフィルム表面には 200 個を超える細孔がマークされています (補足図 30)。これは、平均細孔サイズ 0.6 nm を考慮すると、スキャンされた 100 nm2 領域の約 60% の多孔性に相当します。 各大環状分子の複数のナノフィルムからのAFMプロファイルを収集して、シクロデキストリンの空洞サイズの増加に応じて昇順にシフトする細孔サイズ分布を統計的に分析しました（図2j）。 サブナノメートルの細孔の可視化は、多孔質構造の存在を検証し、それによって高分子膜内の輸送メカニズムを説明する上で課題を提示しています。 主な障害は、多くの顕微鏡技術に必要な真空条件下での非晶質ポリマーフィルムの不明確な細孔の変形と崩壊でした6,22。 ここでは、大環状分子の剛な構造とその秩序ある配向により、UHV の下でも明確に定義された空洞が確実に保存され、細孔の視覚化が可能になります。

これらの結果は、大環状分子が規則的な配向で 3 ～ 4 個の大環状分子からなる厚さのフィルムとして位置選択的に重合されていることを示しています。 我々は、この大環状空洞の整列により、溶質拡散のための曲がりくねりが少ない、ナノフィルムを横切る直接的なチャネルが提供されると提案する。 キャビティサイズよりも小さいが、それでもキャビティサイズに近い寸法の溶質は、これらの直接チャネルを通って浸透する可能性がありますが、これらの分子は輸送が妨げられるため、無秩序な大環状分子を含むナノフィルムに保持されると考えられます23。 この仮説を探るために、架橋剤の化学反応を変更し、ナノフィルム表面を反転し、ナノフィルムの厚さを制御することにより、大環状分子の配向を操作します。

代替の架橋剤である塩化トリメソイル (TMC) を使用して無秩序なナノフィルム β-CDA-TMC-0.1 を調製しました。これは、規則正しいナノフィルム β-CDA-TPC-0.1 の集中散乱密度とは対照的に、ブラッグ回折ピークを示さなかった（補足）図31）。 両方のナノフィルムをポリアクリロニトリル（PAN）支持体上に転写して、OSNに使用される複合膜を形成しました（補足図32および33）。 規則正しいナノフィルムは、不規則なナノフィルムの2倍のメタノール透過度を示しますが、ヘプタンでは傾向が逆転します(図3a)。 両方のナノフィルムは同様の厚さと架橋度を示したので（補足図25、26、および34）、パーミアンスの違いは大環状の配向に起因する可能性があると予想されます。 ランダムに配向した大環状分子は、親水性の縁ではなく、疎水性の壁を優先的にナノフィルム表面に露出させ（補足図３５）、その結果、極性溶媒メタノールの輸送が遅くなる。 これらの膜の分子ふるい性能を調査するために、一連の染料をメタノールに溶解しました (補足表 3)。 無秩序なナノフィルムは、0.48 nm でカットオフ阻止率 (≧90%) を示し (図 3b)、β-CDA の細孔サイズ (0.61 nm) から逸脱します。 小さな色素の異常に高い除去率は、無秩序なナノフィルムを介した妨害拡散の増加に起因すると考えられます23。 対照的に、規則正しいナノフィルムは、β-CDA キャビティ サイズと一致する正確なふるい分けを示しました。 メタノール中に2つの色素を含む三成分フィードを規則正しいナノフィルムでろ過した場合、同様の除去と、したがって選択性が観察されました（補足図36）。

a、無秩序なナノフィルム（β-CDA-TMC-0.1）および規則正しいナノフィルム（β-CDA-TPC-0.1）のメタノールおよびヘプタンの透過度の経時的なプロット。 b. 無秩序なナノフィルムと秩序あるナノフィルムの色素除去率。灰色の影は色素分子のカットオフ除去率 (≥90%) を示します。 c、溶媒パラメーター (\(\delta \)) および粘度 (\(\mu \)) の関数としてのナノフィルム (β-CDA-TMC-0.1) の液体透過率。 back-surface-up は、フィードに面した活性ナノフィルム表面を示します。 d、さまざまな溶媒中のナノフィルム（β-CDA-TMC-0.1）の蒸気吸着等温線。 e、GI-WAXS 1 次元画像。 f、さまざまな厚さのγ-CDA-TPCから作成されたナノフィルムのメタノール透過性と選択性。 g、キャビティ/分子サイズの増加に伴う、小さなキャビティ（α-CDA-TPC-0.05）、中程度のキャビティ（β-CDA-TPC-0.05）および大きなキャビティ（γ-CDA-TPC-0.05）を組み込んだナノフィルムの色素除去。 h、文献で報告され、この研究で作製された膜のメタノール透過性と、異なる分子量（MW）の溶質間の選択性との間のトレードオフ。 読者をガイドするために上限の線が追加されました。 すべての実験は、25 °C、250 rpm の一定撹拌下、10 bar の圧力下でデッドエンドろ過セル内で実行されました。エラーバーは、少なくとも 3 つの独立した膜サンプルについての再現可能な実験を表します。

配向の影響をさらに実証するために、自立型ナノフィルムを裏返して裏面をフィードに露出させました24。 裏面を上にしたナノフィルムと表面を上にしたナノフィルムの両方で、極性溶媒の高速輸送が示されました（図3c）。 これは、ナノフィルムが非極性溶媒よりも極性溶媒において一桁高い蒸気吸着を提供する溶媒の化学親和性（補足表4）と一致します（図3d）。 バックサーフェスアップナノフィルムは、溶質除去率を損なうことなくフロントサーフェスアップナノフィルムと比較して極性溶媒に対して2倍の透過度を示しましたが（補足表5）、非極性溶媒では傾向が逆転しました（図3c）。 これは、これらのナノフィルムの化学的不均一性に起因すると考えられます。 バックサーフェイスアップナノフィルムには、親水性で負に帯電したヒドロキシル基が豊富に含まれているため（補足図35および37）、それによって極性溶媒の輸送が強化されます。 対照的に、化学的に均質なポリアミド ナノフィルムでは、表面に依存しない透過性が観察されます 24。

極薄ナノフィルムの厚さは、大環状分子を規則正しい配向で充填するために重要であると我々は主張する。 GI-WAXSは、γ-CDAを組み込んだナノフィルムの厚さが20.0nmから6.2nmに減少するにつれて結晶化度が増加することを実証し（図3e）、大環状分子の整列が強化されたことを示しています。 極薄のナノフィルムの厚さは、大環状分子の配向をより規則的な配列に優先的に充填するように制限し、集中した散乱強度を示しますが、より厚いナノフィルムにより、大環状分子がより自由にランダムに充填でき、X線回折特徴を示さないことが可能になります（補足図38および39）。 したがって、大環状空洞は極薄ナノフィルム内に整列して、キャビティサイズに対応するより速い溶媒輸送と正確な分子ふるいを提供するサブナノメートルチャネルを作成し（補足図40）、したがってより厚いナノフィルムよりも高い溶質選択性をもたらします（図3f）。

あらかじめ定義された大環状分子を重合させると、異なるキャビティサイズの大環状分子を使用して細孔直径を操作できます。 キャビティサイズを増大させたアミノ官能化シクロデキストリンを使用して、PAN 支持体上に整列した大環状膜を作製しました。 メタノールの透過性は、キャビティサイズが増加するにつれて増加しました（補足図41）。 従来の界面重合によってPAN支持体上で直接重合された膜は、厚い分離層の形成（補足図43）により、透過性と選択性が著しく低くなりました（補足図42）。 これは、発熱架橋反応によって生じる界面の不安定性によるものと考えられます。この場合、放出された熱は、熱伝達が不十分なため、支持膜を通して効率的に放散できません。 ここで、自由界面での製造の主な利点は、限外濾過支持体がない場合にバルク水溶液を介して効率的に熱が放散されることである24。 これにより、支持体上で調製されたナノフィルムよりも一桁薄い極薄ナノフィルムの製造が可能になり、大環状空洞を透過チャネル内に整列させることが可能になる。 ナノフィルムを圧縮性の低いアルミナ支持体（β-CDA-TPC-0.1-Al、補足図44〜46）に転写することにより、透過率は11.9±0.4 l m−2 h−1 bar−1にさらに改善でき、これによりメタノールが2倍になります。ランダムに充填されたシクロデキストリンを組み込んだ複合膜の透過性7,8。 これらのナノフィルムを色素分離に使用すると、カットオフ除去率の変化はシクロデキストリンのキャビティサイズによく対応しました（図3g）。 同様の挙動が他のアミノ官能化大環状化合物でも観察された（例えば、SC[4]AA、補足図47および48）。 全体として、大環状空洞は膜細孔に変換され、0.4 ～ 0.8 nm のオングストロームスケールの区別が得られました。

これにより、正確な分子ふるい分けが必要な高価値医薬品の分離に整列大環状膜を適用できる可能性が生まれ、ここではカンナビジオールオイル（CBD）の濃縮が例示されています。 CBD の生産に対する需要は、不安、うつ病、がんの治療における有効性により急速に増加しており 25、世界市場は 2022 年までに 20 億米ドルに達すると予測されています (参考文献 26)。 CBD を製造する現在の最先端プロセスは抽出とクロマトグラフィーに依存しています 27,28 が、高価でエネルギーを大量に消費します。 最近、OSN29 を利用したヘンプオイルからの CBD の精製と濃縮の代替手段として膜が進歩しました。 この機会にとって重要なのは、抽出溶媒エタノールに溶解した同様の寸法の他の溶質からCBDを正確に区別することです（補足図49）。 抽出物は 3 つの主要な分子クラスで構成されます。クロロフィルやβ-カロテンなどの大きな分子 (>400 g mol-1)、CBD および誘導体 (300 ～ 400 g mol-1)、リモネンやその他の小さな分子 (<300 g mol)モル−1）。 したがって、これらの分子量ドメイン間の鋭い選択性が分離成功の鍵となります。 市販のポリアミドナノ濾過膜や文献で報告されている最先端の研究膜と比較して、整列大環状膜はこの目標範囲で高い選択性を示しました7、8、9、13、17、30、31、32、33、34。図3hおよび補足表5および6）、CBDを強化するための競合候補となっています。

CBDの濃縮にはカスケードプロセスの2つの膜が必要です。CBDとリモネンを透過する開いた膜と、リモネンのみを透過してCBDを濃縮する堅い膜です（図4aおよび補足図50）。 大小の空洞を備えたマクロサイクルは、開いた膜と密な膜を作製するために使用されましたが、CBD 精製に使用されている現在のベンチマークである市販の膜 DuraMem500 および DuraMem200 が、各段階の対応物として使用されました 29。 ステージ1では、整列した大環状大環状分子（γ-CDA-TPC-0.1）の膜は15％のCBDを通過させたが、クロロフィルは0.1％未満しか通過させず（図4b）、DuraMem500膜よりも6％多くのCBDを輸送した（補足図4b）。 51）。 ステージ2では、整列した小大環状分子の膜（α-CDA-TPC-0.1）は、DuraMem200膜よりも1桁高いエタノール透過性を示しました（図4c）。 さらに、整然としたα-CDA-TPC-0.1ナノフィルムは7日後にCBDを濃縮し、最終的に50％の濃縮を達成しました（図4d）。 比較すると、市販のメンブレン DuraMem200 は、同じ期間内で CBD 濃度の 3 分の 1 しか達成できませんでした。

a、エタノール中にリモネン、CBD、クロロフィルを含む合成第四原料からCBDを濃縮するためのカスケード膜プロセスを示す概略図。ステージ1では開いた膜を使用して混合物からクロロフィルを分離し、ステージ2では密な膜を使用してCBDを濃縮します。 このプロセスは、10バールの膜貫通圧力下で連続クロスフローシステムで実行されました。 b、整列した大きな大環状細孔を組み込んだ開いた膜（γ-CDA-TPC-0.1）の、ステージ1からの供給液および透過液中のクロロフィルの紫外可視吸収スペクトル。 挿入図は飼料と透過水の写真を示しています。 c、整列した小さな大環状細孔（α-CDA-TPC-0.1）とCBDを濃縮するために使用される市販の標準膜DuraMem200を組み込んだナノフィルムの経時的なエタノール透過度。 d, 整列大環状膜 (α-CDA-TPC-0.1) と市販の膜の、ステージ 2 保持液中の全溶質の濃度 (CTotal) に対する CBD の濃度 (CCBD) の経時的な関係。 エラーバーは、少なくとも 3 つの独立した膜サンプルの再現可能な実験を表します。

多くの研究は透過性に焦点を当てていますが、分離を必要とするエネルギー集約的で高価値の産業にとっては、分子間の高い選択性を備えた膜がより急務であると私たちは主張します 35,36。 ここでは、整列した大環状分子を組み込んだ超薄ナノフィルムを作製し、その空洞を利用して、近い寸法の分子を分離するためのサブナノメートルのチャネルを作成します。 細孔サイズは大環状分子のキャビティサイズに対応するオングストロームの精度で制御されており、高速な溶媒輸送とCBD濃縮における高い選択性が可能になります。 私たちの研究は、多孔質材料の固有の空洞/開口を高分子膜の明確に定義された細孔に変換する実現可能な戦略を提供し、正確な分子選択性が必要なプロセスへの潜在的な用途を拡張します。

α-シクロデキストリン (α-CD) (≥98%、Sigma-Aldrich)、β-シクロデキストリン (β-CD) (≥97%、Sigma-Aldrich)、γ-シクロデキストリン (γ-CD) (≥98%、Sigma) -Aldrich)、4-スルホカリックス[4]アレーン ナトリウム塩 (SC[4]A) (≥98%、東京化成工業株式会社)、エチレンジアミン (EDA) (ReagentPlus、≥99%、Sigma-Aldrich)、1,1 '-カルボニルジイミダゾール (CDI) (≥97%、Sigma-Aldrich)、TPC (≥98%、Sigma-Aldrich)、および TMC (≥98%、Sigma-Aldrich) は、さらに精製せずに入手したまま使用しました。 純粋なクロロフィル a およびカンナビジオール (CBD) 溶液 (エタノール中 10 mg ml-1) は Sigma-Aldrich から購入しました。 (+)-リモネン (>99%) は東京化成工業株式会社から購入しました。Si-Mat Germany の単結晶シリコン ウェーハ (リンドープ、(100) 研磨) を基板として使用し、AFM 用の自立型ナノフィルムを堆積しました。測定。 Agar Scientific の厚さ 100 nm の金コーティングを施した PLATYPUS シリコン ウェーハを使用して、X 線光電子放出分光法 (XPS) 測定用の自立型ナノフィルムを堆積しました。 PAN (230,000 g mol-1) 粉末を Goodfellow から入手しました。 転相、界面重合およびナノ濾過の実験に使用したすべての溶媒は VWR から購入しました。 Evonik 製の市販メンブレン DuraMem500 および DuraMem200 を Sterlitech から購入しました。

1H NMR、13C NMR、13C DEPT-135 NMR、1H-1H 2D-COSY NMR、および 1H-13C 2D-HSQC NMR スペクトルは、Brüker AVANCE III-400 分光計で、作動周波数 400 (1H) および 101 ( 13C) 293 K で溶媒として酸化重水素 (D2O) を使用した MHz (参考文献 16)。 D2O の化学シフトは、残留 H2O に対応するシグナルに対して ppm で与えられます: D2O、δH = 4.80 ppm。 NMR 分析の前に、すべての溶液を綿を詰めたピペットに通し、不溶性不純物や塵を除去したことに注意してください。

すべての GI-WAXS データは、高度光子源アルゴンヌ国立研究所のセクター 8 で 11 keV (λ = 1.127 Å)21 の光子エネルギーで収集されました。 サンプルは、自然酸化層を備えたシリコン基板上にナノフィルムを転写することによって調製されました。 測定前に、大気散乱を除去するためにすべてのサンプルを真空下に置きました。 すべてのパターンは、入射角 α = 0.14°で収集されました。 フレームは Pilatus 1M カメラで撮影されました。 露光時間と減衰量は、Pilatus 検出器上の任意のピクセルの最大彩度が 80% になるように調整されました。 データの放射状のラインカットは、GIXSGUI を使用して Q 軸に沿って放射状に積分することによって収集されました。

UHV AFM 画像は、R9 コントローラーを備えた RHK UHV 7500 システムを 5 × 10−11 mbar で使用して取得しました22。 液体窒素フロークライオスタットを使用して、振幅変調タッピングモードを93 Kの温度で操作しました。 ナノフィルムは、AFM 測定の前に、348 K で 30 分間、UHV 中でアニールされました。 AFM チップを Ar+ イオンで 680 eV で 90 秒間スパッタリングしました。

高解像度 SEM (LEO 1525、Karl Zeiss) を使用して、ナノフィルムの表面および断面画像を特徴付けました 24。 ナノフィルムは、アルゴン雰囲気（2×10−2 mbar）下で厚さ15 nmのクロムコーティング（Q150Tターボポンプスパッタコータ、Quorum Technologies Ltd）でスパッタリングされました。

ナノフィルムの厚さは、E タイプ スキャナーを備えた Multimode 8 (Bruker) 原子間力顕微鏡を使用して測定されました 24。 自立型ナノフィルムをシリコンウェーハ上に転写し、室温で乾燥させた。 傷を付けてウェーハ表面を露出させると、シリコンウェーハ表面とナノフィルム表面との高低差からナノフィルムの厚さがわかります。 1 ラインあたり 512 ポイントの解像度が使用されました。 Gwyddion 2.44 SPM ソフトウェアを使用して AFM 画像を処理しました。

水接触角は、KRÜSS 液滴形状分析装置によって測定されました。 試験前に、各膜サンプルをヘキサンで十分に洗浄して残留アシルクロリドを除去し、その後室温で一晩空気乾燥させた。 平滑末端の分注チップを備えたシリンジを使用して、水滴を膜表面に送達した。 デジタルカメラを使用して、接触角を1分間継続的に記録しました。

オックスフォード材料特性評価サービスとオックスフォード大学材料学部の BegbrokeNano が XPS 測定を提供しました。 自立型ナノフィルムを PLATYPUS の金でコーティングされたシリコンウェハー上に転写し、室温で自然乾燥させました。 各サンプルについて、サイズ 400 × 400 µm2 の少なくとも 3 つの異なるスポットをスキャンして、サーベイ スペクトルとコア レベル XPS スペクトルを取得しました。 測定は、250 W 単色 Al Kα (1,468.68 eV) 励起を使用して、イオン ポンプ式 VG Microtech CLAM 4 MCD 分析システムで実行されました。 広いスキャンには 200 eV、詳細スキャンには 20 eV の一定のパス エネルギーが使用されました 24。 サンプルの帯電を最小限に抑えるために、BE 285 eV の C1s ピークを使用しました。 データは SPECTRA v.8 オペレーティング システムを使用して記録され、CasaXps によって処理されました。 ピーク面積を測定する際、Shirley2 の方法に従ってバックグラウンドを差し引いた。 C1 のナロースキャンスペクトルは、いくつかの特徴的なピークにデコンボリューションされました。

膜表面のゼータ電位は、アントンパール社製 SurPASS ゼータ電位測定装置を用いて測定しました。各試験では、2 枚の膜を 1 × 1 cm2 のシートに切り取り、防水両面テープでホルダーに貼り付け、その後、膜を固定しました。ホルダを長方形のクランプセルにメンブレン表面が向かい合うように差し込みます。 試験前に pH と導電率を校正しました。 各試験の前にシステムを脱イオン水で徹底的に洗浄し、続いて 0.1 mM KCl からなる電極溶液ですすいだ。 滴定により 50 mM HCl および NaOH 溶液を使用して pH を 4 から 11 まで変化させ、同時に表面のゼータ電位を測定しました 24。

IGA (IGA-002、Hiden Isochema) を使用して溶媒蒸気吸着実験を実行しました。 ナノフィルム粉末は、０．１重量％のアミノ官能基化β－シクロデキストリンを含有する水溶液と、０．１重量％のＴＭＣを含有するヘキサン溶液とを、１分間激しく撹拌しながら混合することによって製造された。 続いて粉末を濾過し、メタノールで数回徹底的に洗浄し、最後に真空オーブンで70℃で一晩乾燥させました。 新しい等温線を作成する前に、サンプル質量が一定になるまでナノフィルム粉末を UHV 環境（1 × 10−7 mbar）下で 100 °C に加熱し、以前の実験からの残留溶媒を完全に除去しました 37。 等温線実験では、定常状態に達するまでの各圧力変化に最低 1 時間の時間を与えました。 研究した各溶媒の蒸気圧は、アントワーヌ方程式を使用して操作温度で計算されました。 等温線は 25 °C の一定温度で実行されました。 図3dに存在する質量変化は、乾燥ナノフィルムの質量に対して吸着または脱着された蒸気の質量として計算されました。

FTIR スペクトルは、Perkin-Elmer Spectrum 100 分光計で波数 4,000 ～ 500 cm-1 の間で記録されました。 この機器には、赤色レーザー励起源 (633 nm) および中赤外硫酸トリグリシン検出器を備えたユニバーサル ATR サンプリング アクセサリ (ダイヤモンド クリスタル) が装備されていました。

乾燥α-CD (S1、5.84 g、6.0 mmol) および CDI (6.42 g、39.6 mmol、6.6 当量) を無水ジメチルスルホキシド (DMSO) (60 ml) に溶解し、得られた混合物をアルゴン下で 100℃で撹拌した。室温で12時間放置。 次いで、過剰のＥＤＡ（６０ｍｌ、９００ｍｍｏｌ、１５０当量）を添加し、続いてさらに１２時間連続撹拌した。 得られた反応溶液を真空中で４０ｍｌまで濃縮し、５００ｍｌのアセトン中で沈殿させ、次いで濾別した。 沈殿物を４０ｍｌの脱イオン水に再溶解し、アセトン（５００ｍｌ）中で再沈殿させ、次いで、沈殿物を濾別し、アセトンで３回リンスした。 得られた沈殿を収集し、乾燥させて、表題化合物を白色粉末として得た(8.65 g、96.8%)。

1H NMR (400 MHz、D2O) δH = 4.86 (d、J = 3.56 Hz、6H)、4.03 ～ 3.60 (m、24H)、3.50 ～ 3.34 (m、12H)、3.18 ～ 2.90 (m、12H)、2.65 –2.45 (m、12H)。

13C NMR (101 MHz、D2O) δC = 164.59 (6C、C=O)、101.43 (6C)、81.22 (6C)、73.30 (6C)、71.97 (6C)、71.60 (6C)、60.29 (6C)、40.10 –39.64 (m、12℃、CH2CH2NH2)。

β-CDA は、上記と同様の手順に従って合成されました。 β-CD(S2、6.81g、6.0mmol)およびCDI(7.50g、46.2mmol、7.7当量)をDMSO(60ml)中で混合し、アルゴン下、室温で12時間撹拌した。 次いで、過剰のＥＤＡ（７０ｍｌ、１，０５０ｍｍｏｌ、１７５当量）を添加し、続いてさらに１２時間連続的に撹拌した。 得られた混合物を真空下で４０ｍｌまで濃縮し、５００ｍｌのアセトン中で沈殿させ、次いで濾別した。 沈殿物を４０ｍｌの脱イオン水に再溶解し、アセトン（５００ｍｌ）中で再沈殿させ、次いで、沈殿物を濾別し、アセトンで３回リンスした。 得られた沈殿を収集し、乾燥させて、表題化合物を白色粉末として得た(9.74 g、93.4%)。

1H NMR (400 MHz、D2O) δH = 4.88 (d、J = 3.69 Hz、7H)、3.95–3.56 (m、28H)、3.49–3.32 (m、14H)、3.15–2.91 (m、14H)、2.67 –2.45 (m、14H)。

13C NMR (101 MHz、D2O) δC = 164.59 (7C、C=O)、102.07 (7C)、81.26 (7C)、73.23 (7C)、71.95 (14C)、60.09 (7C)、40.14–39.65 (m、 14C、CH2CH2NH2）。

γ-CDAの合成手順は以下の通りであった:γ-CD(S3、5.20g、4.0mmol)およびCDI(5.71g、35.2mmol、8.8当量)のDMSO溶液(50ml)をアルゴン下、室温で撹拌した。 12時間の温度。 次いで、過剰のＥＤＡ（５３．６ｍｌ、８００ｍｍｏｌ、２００当量）を添加し、続いてさらに１２時間連続撹拌した。 得られた反応混合物を真空中で４０ｍｌに濃縮し、５００ｍｌのアセトン中で沈殿させ、次いで濾別した。 沈殿物を４０ｍｌの脱イオン水に再溶解し、アセトン（５００ｍｌ）中で再沈殿させ、次いで、沈殿物を濾別し、アセトンで３回リンスした。 得られた沈殿を収集し、乾燥させて、表題化合物を白色粉末として得た(7.76 g、97.7%)。

1H NMR (400 MHz、D2O) δH = 4.91 (d、J = 3.98 Hz、8H)、4.00 ～ 3.60 (m、32H)、3.50 ～ 3.34 (m、16H)、3.20 ～ 3.00 (m、16H)、2.68 –2.55 (m、16H)。

13C NMR (101 MHz、D2O) δC = 164.69 (8C、C=O)、101.73 (8C)、80.47 (8C)、72.91 (8C)、72.23 (8C)、71.79 (8C)、60.09 (8C)、40.19 –39.51 (m、16℃、CH2CH2NH2)。

上記のα-CDA (1) の合成と同様に、DMSO (40 ml)をアルゴン下、周囲温度で12時間撹拌した。 続いて、過剰のＥＤＡ（３２．１ｍｌ、４８０ｍｍｏｌ、１２０当量）を加え、得られた溶液を一晩撹拌した。 過剰のＥＤＡを除去した後、残渣をアセトン（５００ｍｌ）中で沈殿させ、濾別し、沈殿物を脱イオン水（４０ｍｌ）に再溶解し、続いてアセトン中で再沈殿させた。 次いで、得られた沈殿をアセトンで３回洗浄し、次いで収集し、真空中で乾燥させて、表題化合物（４、４．５６ｇ、９１．２％）を白色粉末として得た。

１Ｈ ＮＭＲ（４００ＭＨｚ、Ｄ２Ｏ）δＨ＝７．７５（ｓ、８Ｈ、Ｐｈ上のＣＨ）、２．４７（ｓ、８Ｈ、ＣＨ２ＣＨ２ＮＨ２）、２．４０（ｓ、８Ｈ、ＣＨ２ＣＨ２ＮＨ２）。

13C NMR (101 MHz、D2O) δC = 166.14 (4C、C=O)、134.60 (8C、CH on Ph)、130.69 (8C、C on Ph)、123.25 (8C、C on Ph)、39.44 (4C、 CH2CH2NH2)、38.61 (4C、CH2CH2NH2)。

連続鋳造機（Ｓｅｐｒａｔｅｋ）を使用して、ＰＡＮ支持膜を鋳造した。 ドープ溶液は、11重量%のPAN粉末を44.5重量%のDMSOと44.5重量%の1,3-ジオキソランの混合物に溶解することによって調製し、75℃で一晩撹拌した。 キャスト前に、ドープ溶液を 41 μm フィルター (NY4104700、Merck) で濾過し、続いて窒素加圧濾過セル (XX4004740、Merck) を使用して最大 70 psi の圧力で 11 μm フィルター (NY1104700、Merck) で濾過しました。 (参考文献37)。 この膜をポリエチレンテレフタレート不織布（ヒロセＲＯグレード）上にキャストした。 キャスティングナイフとバッキングの間のギャップは 120 μm に設定されました。 流延速度は、4 rpm のワインダー張力によって制御されました。流延後、支持体を直ちに 60 °C の水浴に 3 時間浸漬し、その後室温で乾燥させました。

ガラス容器内で、アミノ官能基化大環状分子を含む水相と塩化アシルを含むヘキサン相との間に、自由な水性有機界面が形成されました24。 一定の反応時間（アミノ官能化シクロデキストリンの場合は 1 分、アミノ官能化 4-スルホカリックス [4] アレーンの場合は 20 分）後、ナノフィルムを基板上にピックアップし、過剰のヘキサンでリンスして残留アシルクロリドを除去し、その後浮遊させます。それらは水面の上にあります。 次いで、ナノフィルムをPANまたはアルミナ支持体上に転写して、ナノ濾過実験用の薄膜複合膜に組み込んだり、特性評価用の他の基板上に組み込んだりしました。

色素分離の OSN 実験は、デッドエンド撹拌セル (Sterlitech) 内で 25 °C、250 rpm の一定撹拌速度下、10 bar で実施しました。再現性を確認するために、各条件について少なくとも 3 つの膜をテストしました。 有効膜面積は 12.56 cm2 でした。 パーミアンスと阻止率は、安定したパーミアンスが達成された後に測定されました。 供給液、透過液、および保持液の濃度は、紫外可視 (UV-vis) 吸収によって測定されました。 ＵＶスペクトルは、ＵＶ－１８００ Ｓｈｉｍａｚｄｕ分光光度計で２００～８００ｎｍの範囲で記録した。 濃度、ひいては阻止率は、染料の特有の波長における吸収値に基づいて計算されました。 パーミアンス (P) は次のように計算されました。

ここで、\(V\) は収集された透過水の体積 (l)、\(A\) は膜の面積 (m2)、\(\triangle t\) は必要な透過水の体積 (h) を収集するために経過した時間です。 )、\(\triangle P\) は膜間圧力 (bar) です。 パーミアンスの単位はリットル/平方メートル/時間/バール (l m-2 h-1 bar-1) であり、これが従来の標準です。

選択性は、供給液に対する透過液中の 2 つの染料の濃度比として計算されました。 特に、γ-CDA (上部細孔幅 0.77 nm) と TPC から生成されたナノフィルムの場合、γ-CDA の上部細孔幅を横切る寸法を持つ 2 つの色素、サフラニン O (小さな色素、0.73 × 0.97 nm2) とコンゴレッド (大きな色素、0.89 × 2.4 nm2) を使用して選択性を計算しました。 分子量 300 ～ 400 g mol-1 と 400 ～ 500 g mol-1 の透過性と選択性のトレードオフの場合、メチル オレンジ (小さな色素、0.51 × 1.5 nm2、327 g mol-1) およびサンセット イエロー (大きな色素) 、1.1 × 1.7 nm2、452 g mol−1）を使用して選択性を計算しました。

ここで \({C}_{{\rm{permeate}},{\rm{small}}}\) は透過液中の小さな染料の濃度です、\({C}_{{\rm{feed} },{\rm{small}}}\) は飼料中の小さな染料の濃度、\({C}_{{\rm{permeate}},{\rm{big}}}\) は透過液中の大きな染料の濃度、\({C}_{{\rm{feed}},{\rm{big}}}\) はフィード中の大きな染料の濃度です。

CBD を濃縮するためのダイアフィルトレーション実験は、2 段階のカスケードプロセスで実施されました 38,39。 ステージ 1 は、開いた細孔を持つ膜を含む 2 つのセルを直列に含み、ステージ 2 は密な細孔を持つ膜を含む 1 つのセルから構成されます。 各段階での膜間圧力は 10 bar に維持され、温度は 25 °C で一定に維持されました。 この実験で使用する前に、市販のメンブレン DuraMem200 および DuraMem500 を純エタノールに一晩浸し、コンディショニング保存剤を除去しました。 10 mg l-1 クロロフィル a、10 mg l-1 CBD、および 1,000 mg l-1 リモネンを含む原料溶液の合成混合物をエタノール中で調製しました。 高速液体クロマトグラフィー (HPLC) ポンプを使用して、供給溶液を 20 ml min-1 の流量でステージ 1 に導入しました。 各段階にギアポンプを使用して、溶液を100 l h-1で段階の周りに循環させました。 ステージ 1 からの透過液をフィードとしてステージ 2 に循環させました。 ステージ 2 の透過液を分析のために収集しました。 段階 1 および段階 2 の残留物を原料溶液に再循環しました。 純粋なエタノールを使用して原料を補充し、実験全体を通じてその体積を維持しました。 クロロフィルの濃度は、UV吸収スペクトルによって決定されました。 ACE UltraCore 5 SuperC18 カラム (250 × 4.6 mm) を備えた Agilent 1100 シリーズ HPLC を使用して、CBD とリモネンの濃度を分析しました。 HPLC 移動相は、0.1% ギ酸を水とアセトニトリルにそれぞれ溶解して調製しました40。

この研究の結果を裏付けるデータは、要求に応じて責任著者から入手できます。

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リファレンスをダウンロードする

ZJ は、工学および物理科学研究評議会 (助成金番号 CBET-EPSRC EP/R018847) からの支援に感謝します。 MAE と SL は、キング・アブドラ科学技術大学からの支援研究事務局からの支援に感謝します。 OSR-2017-CRG6-3441.01。 AGL は、欧州研究評議会からの支援を認めます。 DA と NB は、ドイツ政府機関 (助成金番号 AN 370/8-1) および助成金契約番号 786398 に基づく欧州連合の Horizo​​n 2020 研究およびイノベーション プログラムからの支援を認めます。 AME は、助成金番号 899528 に基づく国立科学財団大学院研究フェローシップからの支援を認めます。 DGE-1324585。

これらの著者は同様に貢献しました: Zhiwei Jiang、Ruijiao Dong

インペリアル・カレッジ・ロンドン化学工学部バーラー・センター、ロンドン、英国

Zhiwei Jiang、Ruijiao Dong、マフムード・A・エブラヒム、シヤオ・リー、アンドリュー・G・リビングストン

クイーンメアリー大学ロンドン校工学・材料科学部、ロンドン、英国

ジウェイ・ジャン & アンドリュー・G・リビングストン

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ルイジャオドン

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George & Josephine Butler フロリダ大学化学科、高分子科学工学センター、ポリマー研究所、米国フロリダ州ゲインズビル

オースティン・M・エバンス

実験生物物理学および応用ナノ科学、ビーレフェルト大学物理学部、ビーレフェルト、ドイツ

ニクラス・ビエール & ダリオ・アンセルメッティ

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ZJ、RD、AGL がアイデアと実験を設計しました。 AMEとWRDはGI-WAXSの測定とデータ処理を行いました。 NB と DA は UHV AFM 実験を実施しました。 RD はアミノ官能化大環状化合物を合成し、NMR 分析を実行し、溶質分子の寸法をシミュレーションしました。 ZJ は SEM および AFM 画像をキャプチャし、ゼータ電位を測定し、FTIR を実行しました。 ZJ と SL は複合膜を製造しました。 SLは水接触角を測定しました。 ZJ と MAE は XPS データを分析し、IGA を通じて収着等温線を実行しました。 MAE はカスケード リグを構築しました。 ZJとSLはOSN実験を行いました。 ZJはCBDの濃縮実験を実施しました。 著者全員がこの論文の草稿に貢献しました。

アンドリュー・G・リビングストンへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature は、この研究の査読に貢献してくれた Fusheng Pan と他の匿名の査読者に感謝します。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

補足図。 1 ～ 51、表 1 ～ 6 および参考文献。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

Jiang, Z.、Dong, R.、Evans, AM 他。 正確な分子ふるいのための極薄フィルム内の整列した大環状細孔。 Nature 609、58–64 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41586-022-05032-1

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受信日: 2021 年 5 月 21 日

受理日: 2022 年 6 月 28 日

発行日: 2022 年 8 月 31 日

発行日: 2022 年 9 月 1 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05032-1

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ネイチャーコミュニケーションズ (2023)

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