حفره‌ها یا فضا‌های خالی، در همه مقیاس‌ها، از نجوم گرفته تا مقیاس‌های میکروسکوپی وجود دارد. در یک مطالعه جدید، محققان از میکروسکوپ با قدرت بالا و تئوری‌های ریاضی برای نمایش سه‌بعدی حفره‌ها استفاده کردند. این دستاورد محققان برای بهبود عملکرد بسیاری از مواد مورد استفاده در صنایع شیمیایی، انرژی و پزشکی به‌ویژه در زمینه تصفیه آب، قابل استفاده است.

مشاهده حفره‌های موجود در فیلتر‌های دستگاه‌های تصفیه آب خانگی نشان می‌دهد که این فیلتر‌ها شبیه به یک قطعه جامد از مواد با سوراخ‌های یکنواخت به نظر می‌رسند، در واقع از میلیون‌ها حفره کوچک تشکیل شده‌اند که به طور تصادفی جهت‌گیری کرده‌اند. همین حفره‌های پراکنده برای جداسازی ذرات کوچک استفاده می‌شوند.

فالون کالوتانتیریگ، از دانشگاه ایلینویز می‌گوید: دانشمندان پیش از این از ویژگی ساختاری این حفره‌ها که دارای جهت‌گیری‌های تصادفی هستند، مطلع بودند. اما مشکل اینجا بود که این ساختار‌های پیچیده در ابعاد نانومتری، در زیر میکروسکوپ همانند کوه‌هایی دیده می‌شوند که مانع از مشاهده مستقیم و دقیق نانوحفره‌ها شده و درک ما را از ویژگی‌های ساختاری نانوحفره‌ها محدود می‌کند. اگر بتوانیم راهی پیدا کنیم که این نانوحفره‌ها را مستقیم مشاهده کنیم، قادر خواهیم بود تا عملکرد غشاء فیلتر‌ها را بهبود دهیم.

در این پروژه محققان با استفاده از مدل‌های ریاضی و ترکیب آن با دانش علم مواد، مفهومی ارائه کردند که می‌تواند نقشه حفره‌ها را روی غشاء نشان دهد. این چیدمان تصادفی حفره با این فناوری قابل تصویرسازی است. نتایج این یافته‌ها در نشریه Nature Communications منتشر شده است.

تئوری نمودار به این تیم کمک کرد تا سرانجام درک کاملی از ساختار غشای فیلتر به دست آورد و همین امر باعث شد تا آنها بین خصوصیات فیزیکی و مکانیکی منحصر به فرد فضای خالی تصادفی و بهبود عملکرد فیلتراسیون، همبستگی جدی را کشف کنند.

به نقل از ستاد نانو، محققان این پروژه معتقدند که این پیشرفت باعث بهبود اثربخشی بسیاری از مواد متخلخل نسل بعدی مانند پلیمر‌های مورد استفاده در تحویل دارو خواهد شد.