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大きな問題を解決するための小さなフィルターの設計 |マサチューセッツ工科大学ニュース

多くの工業プロセスでは、気体、液体、またはイオンを分離する一般的な方法は熱を使用し、沸点のわずかな違いを利用して混合物を精製します。これらの熱プロセスは、米国のエネルギー使用量の約 10% を占めています。MIT の化学エンジニアであるザカリー・スミス氏は、これらのエネルギーを大量に消費するプロセスを、室温で気体、液体、イオンを分離できる高効率フィルターに置き換えることで、コストと二酸化炭素排出量を削減したいと考えています。MIT の研究室で、スミス氏は、サイズに基づいて小さな分子を濾過できる小さな孔を備えた膜を設計しています。これらの膜は、バイオガスの精製、発電所の排出物からの二酸化炭素の回収、または水素燃料の生成に役立つ可能性があります。「私たちは、分子とイオンを正確に分離する独自の能力を備えた材料を採用し、現在のプロセスが効率的ではない場合や二酸化炭素排出量が膨大な場合の用途に応用しています」と化学工学准教授のスミス氏は述べています。スミス氏と数名の元学生は、ガス精製に大規模に使用できるこれらの材料の開発に取り組んでいる Osmoses という会社を設立しました。これらの広範な工業プロセスでの高温の必要性をなくすことは、エネルギー消費に大きな影響を与え、最大 90% 削減できる可能性があります。「熱分離をなくすことができ、必要なものを作り、必要なエネルギーを生産する際に熱が問題にならない世界をぜひ見てみたいと思っています」とスミス氏は言う。研究に夢中高校生の頃、スミスはエンジニアリングに惹かれていましたが、エンジニアリングのロールモデルはあまりありませんでした。彼の両親は二人とも医師で、いつも彼に学校で一生懸命勉強するよう励ましていました。「私は多くのエンジニアを知らずに育ちましたし、もちろん化学エンジニアも知りませんでした。しかし、私は世界がどのように機能するかを見るのが本当に好きなことに気づきました。私は常に化学に魅了され、数学が科学のこの分野を説明するのにどのように役立つかを見ていました」と、ペンシルバニア州ハリスバーグ近郊で育ったスミスは思い返します。 「化学工学にはこれらすべてが組み込まれているように見えましたが、それが何であるかはまったくわかりませんでした。」ペンシルベニア州立大学で、スミスはヘンリー・「ハンク」・フォーリーという教授と協力して、ガス分離用の「モレキュラーシーブ」を作成するための炭素ベースの材料を設計する研究プロジェクトに取り組みました。時間をかけて反復的な積層プロセスを通じて、彼は空気から酸素と窒素を浄化できるふるいを作成しました。「その後炭化できる特殊な材料のコーティングをどんどん追加していき、最終的には選択性が得られるようになりました。最終的に、サイズが 0.18 オングストロームしか違わない分子をふるい分けできる膜を作ることができました」と彼は言います。 「その時点で私は研究に夢中になり、それが膜の分野でさらに多くのことを行うようになりました。」2008 年に大学を卒業した後、スミスはテキサス大学オースティン校で化学工学の大学院研究を続けました。そこで彼は、ガス分離用の膜の開発を続けましたが、今回は異なるクラスの材料、つまりポリマーを使用しました。ポリマーの構造を制御することで、二酸化炭素やその他のガスなどの特定の分子を濾過する細孔を備えたフィルムを作成することができました。博士号を取得した後、彼は化学をもっと学びたいと決心し、カリフォルニア大学バークレー校の博士研究員シップに参加しました。「自分で分子や材料を作る方法を学びたかったのです。私は自分自身の反応を実行し、より体系的な方法でそれを行いたかったのです」と彼は言います。バークレーでは、有機金属フレームワーク (MOF) と呼ばれる化合物、つまりガス分離や他の多くの分野で応用できる可能性のある籠状分子の作り方を学びました。彼はまた、化学が好きではあるが、根っからの化学技術者であることにも気づきました。「そこにいたとき、私はたくさんのことを学びましたが、自分自身についても多くのことを学びました」と彼は言います。 「私は化学が大好きで、化学者と一緒に仕事をし、自分のグループで化学者にアドバイスをしていますが、間違いなく化学エンジニアであり、プロセスと応用に重点を置いています。」地球規模の問題の解決スミスさんは、教員の仕事の面接中に、出会った人々の考え方のせいで、MIT に惹かれていることに気づきました。「教員や学生がどれほど才能があるかということだけでなく、彼らの考え方がこれまでに訪れた他の場所とは大きく異なることに気づき始めました」と彼は言います。 「彼らの分野を少し前進させる何かをするというだけではありませんでした。彼らは実際に新しい分野を創造していました。 MITに辿り着いた世界的な問題を解決したいと願うタイプの人々には、何かインスピレーションを与えるものがありました。」スミス氏は現在、MITの研究室で、水の浄化、重要元素の回収、再生可能エネルギー、電池の開発、炭素隔離などの世界的な問題のいくつかに取り組んでいる。スタンフォード大学教授のヤン・シア氏との緊密な協力のもと、スミス氏は最近、「ラダーポリマー」として知られる新しいタイプのポリマーを組み込んだガス分離膜を開発し、現在彼のスタートアップ企業での導入に向けて規模を拡大している。歴史的に、ガス分離にポリマーを使用することは、透過性と選択性の間のトレードオフによって制限されてきました。つまり、膜を通過するガスのより速い流れを可能にする膜は選択性が低くなり、不純物の通過を許す傾向があります。研究者らは、横木状の結合で接続された二本鎖からなるラダーポリマーを使用して、透過性と選択性の両方が高いガス分離膜を作成することができました。以前の材料に比べて100倍から1,000倍向上した透過性の向上により、現在ガスを分離するために使用されている高エネルギー技術の一部を膜に置き換えることができる可能性があるとスミス氏は言う。「これにより、大規模な産業問題が小型デバイスで解決されることを想像できるようになります」と彼は言います。 「システムを本当に縮小できれば、私たちが研究室で開発しているソリューションを化学産業のような大産業に簡単に適用できるでしょう。」これらの開発およびその他の開発は、スミスのチームの一員である共同研究者、学生、ポスドク、研究者によって行われた多くの進歩の一部です。「私には才能があり勤勉な学生とポスドクからなる素晴らしい研究チームがあり、私自身の職業上のキャリアに役立ってきたテーマについて教えることができます」とスミス氏は言います。 「MIT は新しいことを探索し学ぶための遊び場でした。私はチームが次に何を発見するかに興奮しており、多くの重要な地球規模の問題の解決を支援する機会に感謝しています。」 1736666675 #大きな問題を解決するための小さなフィルターの設計 #マサチューセッツ工科大学ニュース 2025-01-12 05:00:00