Nombrado por el dios mítico con dos caras, Las membranas Janus, membranas de doble cara que sirven como guardianes entre dos sustancias, han surgido como un material con usos industriales potenciales. Creando dos "caras" distintas en estas delicadas superficies, sin embargo, es un proceso plagado de desafíos.

Al aplicar una técnica común de fabricación de alta tecnología de una manera poco común, Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto una nueva forma de depositar químicamente una segunda cara, dando como resultado membranas de Janus que son más robustas y estructuradas con precisión que las encarnaciones anteriores. Descrito recientemente en un artículo en Interfaces de materiales avanzados, la tecnología pendiente de patente podría ayudar a optimizar o permitir una amplia gama de procesos industriales, desde el tratamiento de aguas residuales hasta la fabricación de biocombustibles.

Según Seth Darling de Argonne, Jano es también el dios romano de los pasajes, haciendo que el nombre sea aún más adecuado para estas membranas que marcan el límite entre sustancias:transportar burbujas de gas a líquidos, por ejemplo, o separando aceite y agua. Darling es científica en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne y directora del Instituto de Ingeniería Molecular (IME) del laboratorio. el socio con sede en Argonne del Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, del cual también es un compañero.

Según Darling, la investigación de la membrana Janus es parte de un esfuerzo más amplio en Argonne para promover un "nuevo ciclo del agua" para la sociedad, en el que el agua se trataría y reutilizaría tantas veces como fuera posible antes de volver a liberarse al medio ambiente. Hay toda una biblioteca de materiales que podrían usarse para crear nuevas membranas Janus, notas Cariño, y cada uno tendría propiedades diferentes y ofrecería potencial para innumerables aplicaciones nuevas.

Típicamente, Las membranas de Janus se tratan químicamente en un lado de una membrana y no en el otro, dándole dos caras. Pero la adición de esa capa puede ser difícil de controlar con los métodos actuales, tanto en términos de la estabilidad del revestimiento como de la profundidad de su penetración.

Los investigadores de Argonne recurrieron a la deposición de la capa atómica (ALD), una técnica comúnmente utilizada en microelectrónica y fabricación de semiconductores, para mejorar el proceso. Usando ALD, depositaron una capa de óxido de aluminio que atrae el agua sobre una membrana de polipropileno repelente al agua, creando una membrana Janus estable que podría usarse, por ejemplo, en aireación de agua de burbujas finas.

ALD normalmente funciona para revestir un objeto de manera completa y uniforme, en lugar de parcialmente, como es el objetivo con una membrana de Janus.

"No era intuitivo que esta estrategia funcionara, "Dice Darling." El truco que jugamos es usar una membrana que tiene poros muy pequeños ".

Los poros diminutos atrapan los vapores que forman la primera capa de óxido de aluminio antes de que tengan la oportunidad de penetrar la membrana por completo. Variando la duración y la presión de la aplicación de óxido de aluminio, el equipo de investigación pudo producir un recubrimiento fuertemente adherido en un lado de la membrana con mayor control del que es posible con cualquier otra técnica.

La capacidad de fabricar membranas Janus con este nivel de precisión y estabilidad podría introducir nuevos niveles de eficiencia en una variedad de procesos industriales. En plantas de tratamiento de aguas residuales, por ejemplo, donde se usa aireación para ayudar a descomponer los contaminantes, la optimización del proceso de burbujeo podría reducir los gastos de energía. Las membranas Janus mejoradas también podrían acelerar la emulsificación o demulsificación de mezclas de aceite y agua, ambos importantes en una amplia variedad de procesos de fabricación. Argonne está invirtiendo en el desarrollo de tecnologías de fabricación avanzadas, como materiales con propiedades avanzadas y procesos de fabricación que son más eficientes energéticamente.

La técnica surgió de lo que inicialmente pareció ser un experimento fallido realizado por Ruben Waldman, estudiante de posgrado en el Instituto de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago. Darling está asesorando a Waldman en su doctorado.

Waldman estaba investigando cómo afectaría la ALD a las membranas y notó que el óxido de aluminio no cubría completamente la parte inferior de la membrana. Después de consultar con Hao-Cheng Yang, un experto en membranas de Janus y un postdoctoral designado que trabaja con Darling en el CNM, Waldman decidió ver si esta deposición unilateral podría optimizarse para lograr las capas parciales necesarias para las membranas Janus.