Membranas nanoporosas son herramientas valiosas para filtrar impurezas del agua y muchas otras aplicaciones. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer para perfeccionar sus diseños.
Recientemente, el laboratorio del profesor Amir Haji-Akbari demostró que el lugar exacto donde se colocan los agujeros nanométricos en la membrana puede marcar una gran diferencia. Los resultados se publican en ACS Nano.
Membrana nanoporosa. Crédito de la imagen: Universidad de Yale.
En los últimos años, las membranas nanoporosas hechas de grafeno, polímeros, silicio y otros materiales se han utilizado con éxito para separar gases, desalinizar agua, filtrar virus, generar energía, almacenar gases y administrar medicamentos. Sin embargo, crear membranas que dejen pasar todas las moléculas correctas y mantengan afuera las no deseadas ha resultado complicado.
Para desalinizar agua, por ejemplo, la membrana debe tener una alta permeabilidad al agua y al mismo tiempo bloquear suficientemente pequeños solutos iónicos y moleculares, así como otras impurezas. Pero los investigadores han descubierto que mejorar la permeabilidad de una membrana a menudo compromete su selectividad y viceversa.
Un enfoque prometedor es optimizar la química y la geometría de los nanoporos aislados para lograr la permeabilidad y selectividad deseadas, y colocar tantos poros como sea posible dentro de una membrana nanoporosa. Sin embargo, no está claro exactamente cómo se afectan entre sí los poros vecinos.
A nanoescala, las moléculas que interactúan con las paredes de los poros pueden exhibir comportamientos que desafían las teorías convencionales. El laboratorio Haji-Akbari exploró si podían diseñar sistemas de membranas innovadores con mayor precisión y eficiencia ajustando los nanoporos.
Con simulaciones por computadora, el equipo de investigación de Haji-Akbari descubrió que la proximidad a nanoescala entre los poros puede afectar negativamente a la permeabilidad al agua y al rechazo de la sal. Específicamente, crearon simulaciones de membranas con diferentes patrones de colocación de poros, incluida una red hexagonal (figura arriba) y una red de panal (bien). Lo que encontraron fue que el patrón hexagonal, que permitía una mayor distancia entre los poros, tenía un mayor rendimiento de permeabilidad/selectividad que la membrana con el patrón de panal.
Estos efectos se desvían de las teorías establecidas, afirmó Haji-Akbari.
Un filtro de nanoporos: impresión artística. Imagen creada por Alius Noreika usando Copilot Designer
«Esta suposición de que la resistencia de los poros es independiente de la proximidad del poro no es correcta», afirmó Haji-Akbari, profesor asistente de ingeniería química y ambiental. «Claramente, depende de la proximidad».
Sus hallazgos arrojan luz sobre cómo estos efectos aceleran los movimientos de ciertos iones a través de las membranas mientras hacen que otros iones se desaceleren. Además, puede contribuir a mejores diseños de membranas nanoporosas para procesos de separación mejorados, como la desalinización de agua y otras aplicaciones.
Fuente: Universidad de Yale
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Publicado anteriormente en The European Times.
