Membrane nanoporose sono strumenti preziosi per filtrare le impurità dall'acqua e numerose altre applicazioni. Tuttavia, c'è ancora molto lavoro da fare per perfezionare i loro progetti.
Recentemente, il laboratorio del Prof. Amir Haji-Akbari ha dimostrato che esattamente il punto in cui sono posizionati i fori nanometrici sulla membrana può fare una grande differenza. I risultati sono pubblicati in ACS Nano.
Membrana nanoporosa. Credito immagine: Università di Yale
Negli ultimi anni, le membrane nanoporose realizzate con grafene, polimeri, silicio e altri materiali sono state utilizzate con successo per la separazione di gas, la desalinizzazione dell’acqua, la filtrazione di virus, la produzione di energia, lo stoccaggio di gas e la somministrazione di farmaci. Tuttavia, creare membrane che lascino passare tutte le molecole giuste mantenendo fuori quelle indesiderate si è rivelato complicato.
Per la desalinizzazione dell'acqua, ad esempio, la membrana deve avere un'elevata permeabilità all'acqua e allo stesso tempo bloccare sufficientemente piccoli soluti ionici e molecolari e altre impurità. Ma i ricercatori hanno scoperto che l’aumento della permeabilità di una membrana spesso ne compromette la selettività, e viceversa.
Un approccio promettente consiste nell’ottimizzare la chimica e la geometria dei nanopori isolati per ottenere la permeabilità e la selettività desiderate e posizionare il maggior numero possibile di pori all’interno di una membrana nanoporosa. Tuttavia, non è chiaro come i pori vicini si influenzino a vicenda.
Su scala nanometrica, le molecole che interagiscono con le pareti dei pori possono mostrare comportamenti che sfidano le teorie convenzionali. Il laboratorio Haji-Akbari ha studiato se fosse possibile progettare sistemi di membrane innovativi con maggiore precisione ed efficienza mettendo a punto i nanopori.
Con simulazioni al computer, il gruppo di ricerca di Haji-Akbari ha scoperto che la vicinanza su scala nanometrica tra i pori può influenzare negativamente la permeabilità all'acqua e il rifiuto del sale. Nello specifico, hanno creato simulazioni di membrane con diversi modelli di posizionamento dei pori, compreso un reticolo esagonale (figura sopra) e un reticolo a nido d'ape (destra). Ciò che hanno scoperto è che il modello esagonale, che consentiva una maggiore distanza tra i pori, aveva prestazioni di permeabilità/selettività maggiori rispetto alla membrana con il modello a nido d’ape.
Questi effetti si discostano dalle teorie consolidate, ha detto Haji-Akbari.
Un filtro a nanopori – impressione artistica. Immagine creata da Alius Noreika utilizzando Copilot Designer
"Questa ipotesi secondo cui la resistenza dei pori è indipendente dalla vicinanza dei pori non è corretta", ha affermato Haji-Akbari, assistente professore di ingegneria chimica e ambientale. “Chiaramente dipende dalla vicinanza”.
Le loro scoperte hanno permesso di comprendere meglio come questi effetti accelerano i movimenti di alcuni ioni attraverso le membrane, provocando al tempo stesso la decelerazione di altri ioni. Inoltre, può fornire informazioni su progetti migliori di membrane nanoporose per processi di separazione migliorati come la desalinizzazione dell'acqua e altre applicazioni.
Fonte: Università di Yale
