Más de 800 millones de personas carecen de acceso a agua limpia y segura. Los avances recientes en la tecnología de filtración de agua han creado nuevas formas de filtrar el agua y hacerla potable. pero muchas de estas aplicaciones son demasiado costosas y engorrosas para ser utilizadas en lugares remotos del mundo. Osmosis inversa, por ejemplo, puede hacer potable el agua de mar, pero el proceso es increíblemente caro y requiere una gran cantidad de energía.

Un nuevo estudio del laboratorio de Chinedum Osuji describe una forma novedosa de crear filtros de agua a nanoescala que son flexibles y robustos. e incluso tienen propiedades antimicrobianas. Postdoctorado Xunda Feng, ahora en la Universidad de Donghua, y Yizhou Zhang y el estudiante graduado Qaboos Imran son los primeros coautores de este artículo. Su trabajo fue publicado en Avances de la ciencia .

Al diseñar un filtro a nanoescala, los ingenieros suelen comenzar con algo que se asemeja a un colador microscópico o un tamiz. El agua viaja a través de orificios individuales que se extienden a lo largo del colador y se mantienen unidos por un material sólido que llena el espacio a su alrededor.

El grupo de Osuji, que incluye expertos en la modificación de la química de los polímeros en bloque, grandes cadenas de moléculas con grandes "bloques" de secuencias repetidas, encontré algo inesperado mientras estudiaba otro material similar. Su descubrimiento los llevó a "invertir" su estrategia de diseño:convertir los "agujeros" del colador en fibras sólidas, dejando abiertas las porciones previamente sólidas de la estructura.

"Pero si tomas un material como este, ¿Por qué estas fibrillas no se separan flotando? ", pregunta Osuji. El grupo reconoció que el material estaba compuesto por algo parecido a una compleja malla de hilos interconectados, o fibras, pero con la importante distinción de que el espacio entre las fibras estaba explícitamente definido por la estructura de la molécula que formaba la fibra. Se dieron cuenta de que la "interconexión topológica" aparentemente aleatoria de la fibra mantenía unida la estructura y, al mismo tiempo, permitía que el agua fluyera a través de ella.

Usando este nuevo enfoque "invertido", el grupo creó y probó membranas, Dar vida a las ideas combinando nanoestructuras únicas diseñadas por Feng utilizando métodos de fabricación y caracterización desarrollados por Imran y Zhang. Zhang, que tiene experiencia en el área de fabricación de membranas, se unió al grupo poco después de que Osuji llegara a Penn el otoño pasado, y Zhang desempeñó un papel clave en la recopilación de datos de transporte críticos.

"Históricamente, la experiencia del grupo ha sido la manipulación y caracterización de la estructura de materiales, y no sabíamos cómo traducir eso en una membrana funcional real, "dice Imran." Tuvimos una prueba de concepto, pero nos tomó un tiempo hacerlo realidad, para llegar a un punto que tanto la comunidad de membranas como la comunidad de materiales puedan apreciar. "

El material, similar en composición a los polímeros previamente utilizados en lentes de contacto duras, también fue diseñado con enlaces cruzados entre fibras individuales para agregar soporte al material. El polímero también incluye estructuras químicas que le dan al filtro propiedades antimicrobianas, lo que significa que el material no se obstruirá con bacterias durante la purificación del agua.

El grupo ahora está estudiando nuevos procesos para hacer que el material sea lo suficientemente delgado como para caber dentro del flujo de trabajo de nanofiltración existente. También ven este enfoque como útil para aplicaciones futuras más allá de la filtración de agua. "Al final del día, este es un material poroso estructurado con precisión con una química de superficie versátil, para que puedas imaginar muchas aplicaciones, ", dice Imran." Puede ser una membrana en una celda de combustible o en una batería ".

Para Zhang, el impacto de su último estudio proviene de lo que aprendieron sobre el material en sí en el proceso de caracterizarlo. "Esta es una nueva nanoestructura para membranas, y es emocionante haberlo propuesto y demostrado su utilidad. También es emocionante porque la estructura se puede aprovechar en aplicaciones más allá de la nanofiltración, " él dice.

Osuji también está ansioso por ver cómo su único, El enfoque invertido podría utilizarse en el futuro. "En la primera inspección, es esta idea inesperada de que puede hacer membranas usando este tipo de enfoque. Una vez que entiendas eso, puedes cambiar la química apuntar a diferentes aplicaciones, así que espero que otros sigan este enfoque, " él dice.

En términos de purificación de agua, Osuji espera que la nanofiltración se adopte más ampliamente como una forma de eliminar los productos químicos nocivos sin los costos asociados con otras técnicas. "La ósmosis inversa está altamente desarrollada y es muy eficiente para eliminar todos los contaminantes excepto los más desafiantes, pero hay lugares donde no es rentable, como en el tratamiento de aguas salobres, tratamiento de aguas residuales industriales antes de su descarga, o ablandamiento del agua. Existe la posibilidad de introducir estas nuevas membranas en esos regímenes, " él dice.