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  • Los ingenieros desarrollan filtros que utilizan nanopartículas para evitar la acumulación de lodo

    Un filtro bijel en forma de tubo. Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania tienen una nueva forma de fabricar filtros de polímeros con bijels, o geles en emulsión bicontinuos interfase atascados, que permiten que las nanopartículas funcionales se adhieran a la superficie del polímero. Probaron su método con nanopartículas que previenen la acumulación de biopelículas. Crédito:Universidad de Pensilvania

    Las membranas de filtración son, en su esencia, materiales similares a esponjas que tienen poros micro o nanoscópicamente pequeños. Productos químicos no deseados, bacterias e incluso virus están bloqueados físicamente por el laberinto de malla, pero los líquidos como el agua pueden pasar.

    El estándar actual para hacer estos filtros es relativamente sencillo, pero no permite mucho en cuanto a darles funcionalidad adicional. Esta es una necesidad particular cuando se trata de "bioincrustaciones". El material biológico que se supone que deben filtrar, incluidas las bacterias y los virus, se atasca en la superficie de la malla. bloqueando los poros con un residuo viscoso.

    Más allá de reducir el flujo, tales biopelículas pueden potencialmente contaminar cualquier líquido que pase al otro lado del filtro.

    Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania tienen una nueva forma de fabricar membranas que podría abordar este problema. Su método les permite agregar una serie de nuevas habilidades a través de nanopartículas funcionales que se adhieren a la superficie de la malla.

    Han demostrado este nuevo proceso con membranas que bloquean contaminantes del tamaño de bacterias y virus sin dejar que se peguen. una propiedad que aumentaría enormemente la eficiencia y la vida útil del filtro.

    Las membranas "antiincrustantes" que han probado serían inmediatamente útiles en aplicaciones relativamente simples, como filtrar el agua potable, y eventualmente podría usarse en los compuestos aceitosos que se encuentran en las aguas residuales del fracking y otros contaminantes de alta resistencia.

    El método de los investigadores, descrito en un artículo publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturaleza , permite membranas hechas de una amplia gama de polímeros y nanopartículas. Más allá de las capacidades antiincrustantes, las futuras nanopartículas podrían catalizar reacciones con los contaminantes, destruirlos o incluso convertirlos en algo útil.

    El estudio fue dirigido por Daeyeon Lee, profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Penn Engineering, y Kathleen Stebe, Decano adjunto de investigación de Penn Engineering y profesora Richer &Elizabeth Goodwin de ingeniería química y biomolecular, junto con Martin F. Haase, un profesor asistente en la Universidad de Rowan que desarrolló la tecnología como investigador postdoctoral en los laboratorios de Stebe y Lee. Harim Jeon, Noah Hough, y Jong Hak Kim también contribuyeron al estudio.

    El nuevo método de fabricación de membranas de los investigadores se basa en un tipo especializado de mezcla líquida conocida como "gel de emulsión bicontinuo interfase atascado". "o" bijel ". A diferencia de las emulsiones que consisten en gotitas aisladas, las fases de aceite y agua de bijels consisten en redes densamente entrelazadas pero completamente conectadas. Las nanopartículas introducidas en la emulsión encuentran su camino hacia la interfaz entre las redes de aceite y agua.

    Sotavento, Stebe y Haase idearon previamente una nueva forma de hacer bisutería que permite una mayor variedad de materiales componentes, que describieron en un artículo de Materiales Avanzados de 2015. Ahora, han mostrado una forma de hacer un filtro sólido usando el mismo método.

    Un filtro bijel en forma de tubo. Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania tienen una nueva forma de fabricar filtros de polímeros con bijels, o geles en emulsión bicontinuos interfase atascados, que permiten que las nanopartículas funcionales se adhieran a la superficie del polímero. Probaron su método con nanopartículas que previenen la acumulación de biopelículas. Crédito:Universidad de Pensilvania

    "Sabíamos que esta tecnología era prometedora, "Dijo Stebe." Parte de esa promesa ahora se está haciendo realidad ".

    Al igual que con sus bijels anteriores, este filtro comienza como una red entrelazada de agua y aceite, con una densa capa de nanopartículas que los separa. Pero al usar un aceite que se puede polimerizar con luz ultravioleta, entrecruzando moléculas individuales que flotan libremente en un sólido, Malla 3D:los investigadores ahora pueden solidificar la estructura del bijel.

    Críticamente, este método deja la densa capa de nanopartículas en su lugar sobre la superficie del polímero después de que el agua se ha eliminado. Las formas convencionales de fabricar membranas de polímero no lo permiten.

    "Los polímeros normalmente odian las partículas y las expulsarán, pero las interfaces aman las partículas y las atraparán, "Dijo Stebe." La densidad de nanopartículas en la superficie de nuestros polímeros está por las nubes. Están apretujados como arena en un castillo de arena ".

    Los investigadores impregnaron sus filtros con nanopartículas de sílice, y les dio forma de tubos con forma de paja. Las nanopartículas de sílice se pueden modificar con una amplia gama de productos químicos con diferentes funcionalidades, incluida la propiedad antiincrustante que probaron los investigadores. Demostraron sus capacidades de filtrado y antiincrustante en agua que contiene nanopartículas de oro de varios tamaños.

    "En nuestro experimento, pudimos filtrar nanopartículas de oro muy pequeñas, en tamaños equivalentes a los virus, ", dijo Lee." La forma del tubo también funciona bien en la implementación a gran escala de estas membranas de filtro. Debido a que tienen una gran proporción de área de superficie a volumen y no se obstruyen, podemos extraer líquido de los lados y succionarlo desde el final, permitiendo la filtración continua ".

    "Las membranas son típicamente materiales pasivos que no adaptan sus propiedades cuando cambian las condiciones ambientales, ", dijo Haase." Un aspecto interesante de nuestras membranas es que se puede hacer que abran y cierren sus poros en respuesta a una señal química. Esta característica única permite que la membrana tenga una permeabilidad controlable, que es útil para la separación de diferentes tipos de contaminantes del agua ".

    Lee también es co-investigador principal en REACT de Penn Engineering, o Investigación y Educación en Tecnologías de Recubrimientos Activos para el hábitat humano. Este programa multidisciplinario tiene como objetivo mejorar los refugios utilizados en el socorro en casos de desastre, y como tal, Lee ha interactuado con los servicios de emergencia y los proveedores de equipos, como ShelterBox.

    "Cuando hablamos con la gente de ShelterBox, dijeron que más que una carpa, lo que la gente necesita es agua limpia, ", Dijo Lee." REACT podría potencialmente hacer que estos filtros formen parte de un sistema que hace ambas cosas ".

    Con varias crisis de refugiados en curso en todo el mundo y millones aún sin agua potable después de que el huracán María azotó a Puerto Rico, los investigadores no pierden la importancia de este desarrollo.

    "Realmente hay personas en este momento que necesitan tanto este tipo de tecnología". dijo Stebe.


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