无物即一切：隐藏的空虚如何定义过滤材料的实用性

在这项最新的研究中，科学家利用高功率显微镜和数学理论揭示了三维纳米级空隙的存在。这一突破有望提高家庭以及化工、能源和医疗行业等许多材料的性能，特别是在过滤领域。

研究人员发现，尽管常见的家用过滤器看起来像是由均匀孔洞组成的固体材料，实际上它们由数百万个随机定向的微小空隙组成，允许微小颗粒通过。在一些工业应用中，如水和溶剂过滤，薄如纸的膜构成了将流体和颗粒分离的障碍物。

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究生法隆·卡鲁坦蒂里格表示：“材料科学界已经意识到过滤膜内部的这些随机定向的纳米级空隙很久了。”“问题在于，膜的复杂结构--在放大时看起来像纳米级山脉--挡住了我们对空隙空间的视野。因为我们无法看到它们，所以我们无法完全理解它们对过滤性能的影响。我们知道，如果我们能找到一种方法来看到它们，那么我们就能弄清楚它们的作用，并最终改善过滤膜的性能。”

该研究由伊利诺伊大学材料科学与工程教授钱辰和威斯康星大学麦迪逊分校教授李英指导，是首次将材料科学和图论等数学概念结合起来，帮助成像和绘制出过滤材料内部这些空隙的随机分布。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

研究人员表示，他们需要一种方法来测量和绘制出这些特征，以建立一个定量的预测模型，并获得对膜表面更全面的认识。

钱辰说：“仅仅进行映射和测量可以适用于具有规则或周期结构的材料，从而简化了我们扩展模型并预测结构性能将如何影响材料性能的数学处理。但是我们研究中观察到的不规则性推动我们使用图论，这给了我们一种描述这种异质且混乱但又实用的材料的数学方式。”

图论帮助团队最终获得更全面的了解过滤膜结构，他们发现了空隙的独特物理和机械特性与改善过滤性能之间的强相关性。

团队表示，这一进展将提高许多下一代多孔材料的效益，比如用于药物输送的聚合物。

钱辰说：“这项研究的标题暗示了‘超越虚无’的概念，我们指的是这些空的、虚无的空间在开发最佳过滤膜时非常重要。这项工作只有在我们出色的合作者团队的支持下才可能实现。肖苏帮助我们进行了膜性能测试。艾玛德·塔吉霍尔希德、查尔斯·施罗德和杰弗里·摩尔与我们共同合作进行了聚合物系统的合成和分析。”