Una nueva clase de membranas promete aplicaciones muy interesantes en la separación de materiales, ya sea en biotecnología o depuración de agua. La comprensión teórica de estas membranas de polímero es, sin embargo, todavía incompleto. Dos investigadores de Helmholtz-Zentrum Hereon y la Universidad de Göttingen ahora presentan un estudio, publicado en la reconocida revista científica Reseñas de productos químicos , que identifica estas lagunas en el conocimiento y muestra enfoques prometedores para resolverlas.

Ya sea en desalación, purificación de agua o CO ₂ separación, las membranas juegan un papel central en la tecnología. El Helmholtz-Zentrum Hereon ha estado trabajando durante varios años en una nueva variante:consiste en polímeros especiales que forman poros del mismo tamaño en la escala nanométrica. Los materiales a separar, como ciertas proteínas, literalmente puede deslizarse a través de estos poros. Debido a que estas capas de separación son muy delgadas y, por lo tanto, muy frágiles, están unidos a una estructura esponjosa con poros mucho más gruesos, dotando a la estructura de la estabilidad mecánica necesaria.

"Un aspecto especial es que estas estructuras se forman en un acto de autoorganización, "dice el profesor Volker Abetz, director del Instituto Hereon de Investigación de Membranas y profesor de química física en la Universidad de Hamburgo. "A diferencia de las membranas comparables, que se fabrican parcialmente mediante un proceso complejo que utiliza aceleradores de partículas, esto promete una producción relativamente económica ". Debido a que las membranas de polímero combinan un alto rendimiento con una fuerte selectividad de separación, podrían resultar interesantes en el futuro para la biotecnología y la producción farmacéutica, sino también en el tratamiento de aguas residuales, como por ejemplo, para filtrar tintes no deseados.

Avances a través de simulaciones por computadora

Los expertos han logrado avances considerables en el desarrollo de estas nuevas membranas en los últimos años. Sin embargo, para adaptarlos a aplicaciones específicas, todavía falta una comprensión teórica completa. "Hasta aquí, ha habido mucho ensayo y error, así como un sentimiento de instinto involucrado, ", dice Abetz." Ahora debería tratarse de comprender fundamentalmente estos sistemas tanto como sea posible ". Por esta razón, Marcus Müller, profesor de física teórica en la Universidad de Göttingen y Volker Abetz han publicado un artículo de revisión en la revista científica Reseñas de productos químicos . El trabajo resume el estado actual del conocimiento en el campo de las membranas poliméricas e identifica los enfoques de investigación más prometedores que pueden cerrar las brechas existentes en el conocimiento.

Las simulaciones por computadora juegan un papel importante aquí:pueden usarse para modelar digitalmente en detalle lo que sucede durante el proceso de fabricación. "El problema es que estos procesos son extremadamente complejos, y estamos tratando con escalas de tiempo y duración completamente diferentes, "explica Müller." Y todavía no hemos estado en condiciones de cubrir todas estas escalas con una sola descripción ". sin embargo, modelos informáticos que pueden simular aspectos individuales. Si bien algunos de estos modelos describen el comportamiento de moléculas de polímero individuales, otros reproducen la membrana en una cuadrícula mucho más gruesa. Estos diferentes enfoques hasta ahora solo han estado vinculados de manera bastante débil, y describir la secuencia de tiempo de los diversos procesos también plantea un desafío. Para una comprensión más profunda, Sería beneficioso que los modelos estuvieran mejor interconectados de lo que están ahora.

Membranas de polímero de la mesa de dibujo

"La producción de membranas poliméricas se puede comparar con la elaboración de un soufflé, "dice Müller." Ambos tratan de estabilizar los poros diminutos que importan, antes de que todo se derrumbe de nuevo ". Uno de los aspectos que no está claro es cómo y si la formación simultánea de la capa de separación y la capa portadora se influyen entre sí y cómo esto se puede controlar. Otra cuestión se refiere a cómo se pueden organizar y alinear los poros de tal manera que permitan el mayor caudal posible a través de la membrana, criterio decisivo para la rentabilidad de la membrana ". Afortunadamente, tanto las computadoras como los modelos son cada vez mejores, y eso debería facilitar un progreso considerable, ", Agrega Müller." Podemos acceder a la supercomputadora JUWELS en Jülich, que es uno de los más rápidos del mundo ". Los algoritmos de aprendizaje automático también podrían ayudar en el futuro; podría haber un potencial por descubrir aquí.

No solo se requiere teoría, sin embargo. También hay trabajo por hacer en los experimentos. "Un gran desconocido, por ejemplo, es la humedad, "explica Abetz." Sabemos que puede influir decisivamente en la formación de una membrana de polímero. Pero para comprender mejor esta influencia, necesitamos pruebas sistemáticas ". Si se pueden superar obstáculos como estos, acercará un poco más el objetivo de la investigación a largo plazo:"Nuestro sueño es diseñar y optimizar una membrana de polímero para una aplicación específica como un" gemelo digital "en la computadora primero para que luego se pueda producir de manera específica en el laboratorio, ", dice Abetz." Y tal vez incluso podríamos descubrir estructuras completamente nuevas en la computadora, los que nunca hubiéramos encontrado en el experimento.