从天文到微观，各个尺度的物质中都存在着空隙或空白空间。在一项新研究中，研究人员使用高倍显微镜和数学理论揭示了三维纳米级空隙。这一进步有望提高家庭以及化学、能源和医疗行业中使用的许多材料的性能，特别是在过滤领域。
家庭中使用的常见过滤器的放大显示，虽然它们看起来像一块具有均匀孔的实心材料，但它们实际上是由数百万个随机定向的微小空隙组成，这些空隙允许小颗粒通过。在某些工业应用中，例如水和溶剂过滤，薄纸膜构成了分离流体和颗粒的屏障。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究生 Falon Kalutantirige 表示：“材料科学界已经意识到过滤膜内这些随机定向的纳米级空隙。” “问题在于，整个膜的复杂结构——放大后看起来像纳米级的山脉——挡住了我们对空隙空间的视野。因为我们看不到它们，所以我们无法完全了解它们如何影响过滤性能。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Chen Chen和威斯康星大学麦迪逊分校教授Ying Li领导，是第一个将材料科学和称为图论的数学概念相结合的研究，以帮助成像和绘制这些空隙的随机位置。过滤材料。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的基础上，新研究的重点是工业应用中使用的更为复杂的膜。
“我们在这项工作中研究的膜表面肉眼看起来是平坦的，但是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坐落在这些纳米级的山地景观中，我们称之为褶皱”，该研究的第一作者 Kalutantirige 说。
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。
“仅测绘和测量就适用于具有规则或周期性结构的材料，这使得在数学上很容易扩大我们的模型并预测结构特性将如何影响材料的性能，”陈说。 “但是我们在研究中观察到的不规则性促使我们使用图论，它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过滤膜结构有了更全面的了解，从而发现随机空空间的独特物理和机械特性与改进的过滤性能之间存在很强的相关性。
“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并不是由重复的统一结构组成的材料制成的。因此，我认为该方法的美妙之处在于我们可以捕捉不规则结构的‘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，例如用于药物输送的聚合物。
“这项研究的标题暗示了‘超越虚无’的概念，我们的意思是，在开发最好的过滤膜时，这些空的、空隙的空间非常重要，”陈说。 “只有我们优秀的合作者团队才能完成这项工作。小苏帮我们进行了膜性能测试。Emad Tajkhorshid、Charles Schroeder和Jeffrey Moore与我们一起致力于聚合物系统的合成和分析。”
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