Membranes nanoporoses són eines valuoses per filtrar les impureses de l'aigua i moltes altres aplicacions. Tanmateix, encara queda molta feina per fer per perfeccionar els seus dissenys.
Recentment, el laboratori del professor Amir Haji-Akbari va demostrar que exactament on es col·loquen els forats nanomètrics a la membrana pot marcar una gran diferència. Els resultats es publiquen a ACS Nano.
Membrana nanoporosa. Crèdit d'imatge: Universitat de Yale
En els darrers anys, les membranes nanoporoses fetes de grafè, polímers, silici i altres materials s'han utilitzat amb èxit per separar gasos, dessalinitzar l'aigua, filtrar virus, generar energia, emmagatzemar gas i lliurar medicaments. Tanmateix, crear membranes que deixin passar totes les molècules adequades mantenint fora les no desitjades ha resultat complicat.
Per dessalinitzar aigua, per exemple, la membrana ha de tenir una alta permeabilitat a l'aigua alhora que bloqueja suficientment els petits soluts iònics i moleculars i altres impureses. Però els investigadors han descobert que millorar la permeabilitat d'una membrana sovint compromet la seva selectivitat, i viceversa.
Un enfocament prometedor és optimitzar la química i la geometria dels nanopors aïllats per aconseguir la permeabilitat i selectivitat desitjades, i col·locar tants d'aquests porus com sigui possible dins d'una membrana nanoporosa. Tanmateix, no està clar com s'afecten els porus veïns.
A escala nanomètrica, les molècules que interactuen amb les parets dels porus poden mostrar comportaments que desafien les teories convencionals. El laboratori Haji-Akbari va explorar si podrien dissenyar sistemes innovadors de membrana amb una major precisió i eficiència ajustant els nanopors.
Amb simulacions per ordinador, l'equip d'investigació de Haji-Akbari va trobar que la proximitat a nanoescala entre els porus pot afectar perjudicialment la permeabilitat de l'aigua i el rebuig de la sal. Concretament, van crear simulacions de membranes amb diferents patrons de col·locació de porus, inclosa una gelosia hexagonal (figura de dalt) i una gelosia de bresca (dret). El que van trobar va ser que el patró hexagonal, que permetia més distància entre els porus, tenia un rendiment de permeabilitat/selectivitat més gran que la membrana amb el patró de bresca.
Aquests efectes es desvien de les teories establertes, va dir Haji-Akbari.
Un filtre de nanoporos: impressió artística. Imatge creada per Alius Noreika amb Copilot Designer
"Aquesta suposició que la resistència dels porus és independent de la proximitat del porus no és correcta", va dir Haji-Akbari, professor ajudant d'enginyeria química i ambiental. "Clarament, depèn de la proximitat".
Les seves troballes donen una visió de com aquests efectes acceleren els moviments de certs ions a través de les membranes mentre fan que altres ions es desaccelerin. A més, pot informar millors dissenys de membranes nanoporoses per a processos de separació millorats com la dessalinització d'aigua i altres aplicacions.
font: Universitat de Yale
