Los materiales autoensamblados son atractivos para los materiales de próxima generación, pero su potencial para ensamblarse a nanoescala y formar nanoestructuras (cilindros, láminas, etc.) sigue siendo un desafío. En un informe reciente, Xundu Feng y colegas de los departamentos interdisciplinarios de ingeniería química y ambiental, ingeniería biomolecular, química y el centro de materiales avanzados de baja dimensión en los EE. UU., Francia, Japón y China, propuso y demostró un nuevo enfoque para prevenir los desafíos existentes. En el estudio, Exploraron el transporte selectivo por tamaño en el medio continuo en agua de una plantilla de polímero nanoestructurado formada utilizando un H liotrópico autoensamblado ₁ (forma cilíndrica hexagonal) mesofase (un estado de la materia entre líquido y sólido). Optimizaron la composición de la mesofase para facilitar la retención de alta fidelidad del H ₁ estructura sobre reticulación fotoinducida.

El material polimérico nanoestructurado resultante era mecánicamente robusto con nanofibrillas reticuladas interna y externamente rodeadas por un medio acuoso continuo. El equipo de investigación fabricó una membrana con selectividad de tamaño en la escala de longitud de 1 a 2 nm y permeabilidades al agua de ~ 10 litros m ⁻² hora ⁻¹ bar ⁻¹ μm. Las membranas mostraron excelentes propiedades antimicrobianas para un uso práctico. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia y representan un gran avance para el uso potencial de la nanofiltración basada en membranas autoensambladas en aplicaciones prácticas de purificación de agua.

La separación de membranas para filtración se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones técnicas, incluida la desalación de agua de mar, separación de gas, procesamiento de alimentos, pilas de combustible y los campos emergentes de la generación y destilación de energía sostenible. Durante la nanofiltración, Los solutos disueltos o suspendidos que varían de 1 a 10 nm de tamaño pueden eliminarse. Las nuevas membranas de nanofiltración son de particular interés para el tratamiento de aguas residuales a bajo costo para eliminar contaminantes orgánicos, incluidos pesticidas y metabolitos de medicamentos farmacéuticos. Las membranas del estado de la técnica sufren actualmente un compromiso entre permeabilidad y selectividad donde una mayor permeabilidad puede resultar en una disminución de la selectividad y viceversa. Dado que la compensación se originó a partir de los límites estructurales intrínsecos de las membranas convencionales, Los científicos de materiales han incorporado materiales autoensamblados como una solución atractiva para realizar una separación altamente selectiva sin comprometer la permeabilidad.

Por ejemplo, Los copolímeros de bloque (BCP) y los cristales líquidos de molécula pequeña (LC) pueden autoensamblarse en una serie de formas mesofásicas con dominios nanométricos periódicos para contener tamaños y formas termodinámicamente definidos. Las nanoestructuras bien ordenadas que se encuentran en BCP y LC en forma de cilindros, las laminillas y los giroscopios son plantillas atractivas para fabricar membranas de nanoporos. Los materiales de autoensamblaje podrían proporcionar plantillas útiles para controlar la organización de objetos discretos como las proteínas del canal de agua o los nanotubos. para funcionar como poros de nanofiltración. Aunque las membranas de nanoporos mostraron una alta selectividad y permeabilidad para la nanofiltración y ultrafiltración, los científicos se han enfrentado a desafíos durante su desarrollo práctico.

En el presente trabajo, Feng y col. desarrolló un enfoque escalable para obtener membranas de nanofiltración selectivas y altamente permeables con atractivas propiedades antiincrustantes para actividades antimicrobianas. La membrana contenía nanofibrillas moleculares ordenadas hexagonalmente obtenidas por reticulación de una LC liotrópica cilíndrica directa. La membrana era mecánicamente robusta y resistente tanto a la deshidratación como a la hinchazón por el exceso de agua. La estructura autoensamblada proporcionó un espaciado uniforme y bien definido entre las nanofibrillas para una alta selectividad de la membrana y una menor complejidad de la membrana. partiendo del trabajo previamente informado. Las nuevas características diferencian a las membranas de las membranas nanoestructuradas derivadas de las CL liotrópicas reportadas hasta la fecha. para ofrecer un camino hacia la nanofiltración práctica.

Para formar un H polimerizable ₁ mesofase con agua, el equipo de investigación utilizó un tensioactivo catiónico, Bromuro de 2- (metacriloiloxi) etil tetradecil dimetil amonio (METDAB) junto con reticulantes adicionales de dimetacrilato de etilenglicol (EG-DMA) y dimetacrilato de oligo (etilenglicol) (OEG-DMA). El equipo de investigación sintetizó el monómero surfactante o surfmer en una reacción de Menshutkin de un solo paso y formó H ₁ fases a temperatura ambiente utilizando concentraciones de METDAB que oscilan entre el 55 y el 80 por ciento en peso.

Realizaron caracterizaciones estructurales detalladas utilizando dispersión de rayos X de ángulo pequeño de alta resolución (SAXS) con microscopía de alta resolución para verificar la retención de la H ₁ mesofase después de la reticulación iniciada por UV. Optimizaron la composición para desarrollar 70 por ciento en peso de METDAB con 22,8 por ciento en peso de agua, 5.4 por ciento en peso de OEG-DMA y 1.8 por ciento en peso de EG-DMA con fotoiniciador para formar un H homogéneo ₁ gel de mesofase. La muestra de gel resultante mostró una transparencia excelente para retener la integridad después de sumergirla en agua durante 24 horas para resistir el colapso estructural debido al hinchamiento por agua. Feng y col. obtuvo una imagen TEM de alta resolución de la muestra para observar una matriz ordenada de nanofibrillas empaquetadas hexagonalmente que muestran una simetría de seis veces.

La naturaleza continua en el agua de los autoensamblados, H reticulado ₁ mesofase y su resiliencia mecánica era atractivo para la aplicación de membranas, que Feng et al. probado como prueba de concepto. Para esto, produjeron una membrana reticulando una fina película de H ₁ mesofase con exposición a los rayos UV, en una fuente comercial, membrana de ultrafiltración de poliacrilonitrilo (PAN). Luego tomaron imágenes de la H ₁ / PAN membrana compuesta utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) y probó la morfología de la superficie utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM). Durante los experimentos, las membranas compuestas mostraron una fuerte selectividad de tamaño hacia moléculas de colorante orgánico cargadas. Según los datos de transporte, Feng y col. demostró que la membrana podía separar eficazmente los solutos en función de su tamaño y carga.

Los investigadores proponen investigaciones adicionales para resaltar el límite entre los mecanismos de difusión porosa y de solución en las membranas de polímero. Por ejemplo, la permeabilidad al agua disminuyó hasta en un 50 por ciento cuando filtraron solutos cargados, pero permaneció inalterada en presencia de solutos naturales. Las permeabilidades y la función de las nanomembranas autoensambladas desarrolladas en el estudio se compararon favorablemente con las membranas de nanofiltración comerciales como Dow FILMTEC NF90-400. El equipo de investigación observó que los grupos de amonio cuaternario enfrentados al agua en las nanofibrillas representan un comportamiento antiincrustante debido a las propiedades antimicrobianas bien establecidas de los grupos funcionales. Estudiaron el potencial de comportamiento antiincrustante de H ₁ membranas utilizando un ensayo de enumeración de unidades formadoras de colonias (UFC) estándar.

Durante los experimentos, mantuvieron membranas PAN (grupo control) o H ₁ membranas en contacto con bacterias gramnegativas (Escherichia coli) en suspensión durante 3 horas. Cuando sonicaron las membranas suavemente en solución salina, las bacterias se desprendieron de las superficies para su posterior cultivo en agar e incubación durante la noche. Los resultados mostraron el número de células de E. coli viables en el H ₁ la membrana debe ser 3 órdenes de magnitud más pequeña que el control, demostrando actividad anti-bioincrustante de las membranas. Los resultados confirmaron una fuerte respuesta antimicrobiana para H ₁ , como se anticipó debido a la presencia de grupos de amonio cuaternario.

De este modo, Xundu Feng y sus colegas informaron de un enfoque simple para diseñar membranas de nanofiltración de polímeros con una estructura única de matrices de nanofibrillas ordenadas. En el enfoque, utilizaron un reticulable, liotrópico continuo de agua H ₁ plantilla de mesofase para crear la morfología de interés. Siguieron el paso de la ingeniería con sistemas sistemáticos, Técnicas de caracterización de materiales para confirmar la formación de nanoestructuras altamente ordenadas con alta fidelidad para robustez mecánica. El presente trabajo fue el primero en obtener imágenes directamente de la H liotrópica polimerizada ₁ mesofase.

Los científicos sintetizaron las principales especies constituyentes del sistema METDAB en un solo paso, utilizando reactivos fácilmente disponibles y económicos. Usando la membrana, lo demostraron claro, selectividad basada en el tamaño con colorantes moleculares como modelo de solutos, junto con permeabilidades al agua de aproximadamente 10 litros m ⁻² hora ⁻¹ bar ⁻¹ μm. El equipo de investigación tiene como objetivo optimizar los procedimientos de fabricación para proporcionar capas selectivas más delgadas mediante la modificación de la química de la superficie de las nanofibrillas para la nanofiltración de agua y el tratamiento con membranas antimicrobianas en aplicaciones prácticas.

© 2019 Science X Network