Los canales de agua a nanoescala que la naturaleza ha desarrollado para transportar rápidamente moléculas de agua dentro y fuera de las células podrían inspirar nuevos materiales para limpiar la producción química y farmacéutica. Los investigadores de KAUST han adaptado la estructura de las capas de óxido de grafeno para imitar la forma de reloj de arena de estos canales biológicos. creando membranas ultrafinas para separar rápidamente mezclas químicas.

"Al fabricar productos farmacéuticos y otros productos químicos, separar mezclas de moléculas orgánicas es una tarea esencial y tediosa, "dice Shaofei Wang, investigadora postdoctoral en el laboratorio Suzana Nuñes de KAUST. Una opción para hacer que estas separaciones químicas sean más rápidas y eficientes es a través de membranas selectivamente permeables, que cuentan con canales a nanoescala personalizados que separan las moléculas por tamaño.

Pero estas membranas generalmente sufren de un compromiso conocido como la compensación de permeabilidad-rechazo. Esto significa que los canales estrechos pueden separar de manera efectiva las moléculas de diferentes tamaños, pero también tienen un flujo de disolvente inaceptablemente bajo a través de la membrana, y viceversa:fluyen lo suficientemente rápido, pero rinde mal en la separación.

Nuñes, Wang y el equipo se han inspirado en la naturaleza para superar esta limitación. Las acuaporinas tienen un canal en forma de reloj de arena:ancho en cada extremo y estrecho en la sección central hidrofóbica. Esta estructura combina una alta permeabilidad a los disolventes con una alta selectividad. Mejorando la naturaleza, el equipo ha creado canales que se ensanchan y estrechan en una membrana sintética.

La membrana está hecha de escamas de un nanomaterial de carbono bidimensional llamado óxido de grafeno. Los copos se combinan en láminas de varias capas de óxido de grafeno. Las moléculas de solvente orgánico son lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los canales estrechos entre las escamas para cruzar la membrana. pero las moléculas orgánicas disueltas en el disolvente son demasiado grandes para seguir el mismo camino. Por tanto, las moléculas pueden separarse del disolvente.

Para aumentar el flujo de disolvente sin comprometer la selectividad, el equipo introdujo espaciadores entre las capas de óxido de grafeno para ensanchar secciones del canal, imitando la estructura de las acuaporinas. Los espaciadores se formaron agregando una molécula a base de silicio en los canales que, cuando se trata con hidróxido de sodio, reaccionan en situación de forma nanopartículas de dióxido de silicio. "Las nanopartículas hidrófilas amplían localmente los canales entre capas para mejorar la permeabilidad del disolvente, Wang explica.

Cuando el equipo probó el rendimiento de la membrana con soluciones de tintes orgánicos, descubrieron que rechazaba al menos el 90 por ciento de las moléculas de tinte por encima de un tamaño umbral de 1,5 nanómetros. Al incorporar las nanopartículas, la permeabilidad al solvente aumentó 10 veces, sin perjudicar la selectividad. El equipo también descubrió que había una mayor resistencia y longevidad de la membrana cuando se formaban enlaces cruzados químicos entre las láminas de óxido de grafeno y las nanopartículas.

"El siguiente paso será formular el material de nanopartículas de óxido de grafeno en membranas de fibra hueca adecuadas para aplicaciones industriales, "Dice Nuñes.