Los poros muy pequeños marcan una gran diferencia en la tecnología de filtrado

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Crédito: ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c07489

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Crédito: ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c07489

Se ha demostrado que las membranas nanoporosas son herramientas valiosas para filtrar impurezas del agua y para 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 la ubicación exacta de los agujeros a nanoescala en la membrana puede marcar una gran diferencia. Los resultados se publican en ACS Nano.

En los últimos años, las membranas nanoporosas basadas en grafeno, polímeros, silicio y otros materiales se han utilizado con éxito para la separación de gases, la desalinización de agua, la filtración de virus, la generación de energía, el almacenamiento de gases y la administración de fármacos. Sin embargo, crear membranas que dejen pasar todas las moléculas buenas y al mismo tiempo impidan la entrada de moléculas no deseadas ha resultado complicado.

Para la desalinización de agua, por ejemplo, es crucial que la membrana tenga una alta permeabilidad al agua y al mismo tiempo bloquee suficientemente pequeños solutos iónicos y moleculares, así como otras impurezas. Pero los investigadores han descubierto que aumentar 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 en una membrana nanoporosa. Sin embargo, no está claro cómo los poros vecinos se influyen entre sí.

A escala nanométrica, las moléculas que interactúan con las paredes de los poros pueden exhibir comportamientos que desafían las teorías convencionales. El laboratorio Haji-Akbari investigó si era posible diseñar sistemas de membranas innovadores con mayor precisión y eficiencia ajustando los nanoporos.

A través de simulaciones por computadora, el equipo de investigación de Haji-Akbari descubrió que la proximidad a nanoescala entre los poros puede afectar la permeabilidad al agua y el rechazo de la sal. Específicamente, crearon simulaciones de membranas con diferentes patrones de ubicación de poros, incluida una matriz hexagonal y una matriz de panal. 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 patrón de panal.

Estos efectos se desvían de las teorías establecidas, afirmó Haji-Akbari.

“Esta suposición de que la resistencia de los poros es independiente de la proximidad de los poros no es correcta”, afirmó Haji-Akbari, profesor asistente de ingeniería química y ambiental. “Obviamente depende de la proximidad”.

Sus hallazgos proporcionan información sobre cómo estos efectos aceleran el movimiento de algunos iones a través de las membranas mientras hacen que otros iones se desaceleren. Además, esto puede contribuir a mejores diseños de membranas nanoporosas para procesos de separación mejorados, como la desalinización de agua y otras aplicaciones.

Más información:
Brian A. Shoemaker et al, Correlaciones en sistemas multiporosos cargados: implicaciones para mejorar la selectividad y la permeabilidad en membranas nanoporosas, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c07489

Información de la revista:
ACS Nano

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