Inspirado en las membranas de los tejidos corporales de los organismos vivos, Los científicos han combinado nanofibras de aramida utilizadas en Kevlar con nitruro de boro para construir una membrana para recolectar energía oceánica que es fuerte como el hueso y adecuada para el transporte de iones como el cartílago. La investigación, publicado el 18 de diciembre en la revista Joule, supera los principales desafíos de diseño para las tecnologías que aprovechan la energía osmótica (diferencias de gradiente de presión y salinidad entre el agua dulce y el agua del océano) para generar una forma de energía renovable ecológica y ampliamente disponible.

Los generadores de energía osmótica varían menos de un día a otro que los parques de energía solar y eólica, haciéndolos más confiables que estos productos básicos de energía verde. Sin embargo, la arcilla, óxido de grafeno, MXene, y los nanomateriales de disulfuro de molibdeno comúnmente usados ​​en membranas tienden a colapsarse y desintegrarse en el agua.

Si bien las nanoláminas fabricadas con nitruro de boro se han mostrado prometedoras recientemente, permaneciendo estable a medida que aumentan las temperaturas y no reacciona fácilmente con otras sustancias, las membranas hechas de nitruro de boro solo tampoco son lo suficientemente resistentes para soportar el agua durante mucho tiempo, rápidamente comienzan a perder iones a medida que desarrollan grietas microscópicas.

"Las nuevas membranas compuestas de nitruro de boro avanzadas con propiedades novedosas y robustas resolverán este problema, que tiene una gran demanda ahora, "dice Weiwei Lei, el científico principal de este proyecto en Australia, investigador senior en el Instituto de Materiales Fronterizos (IFM) de la Universidad de Deakin.

"La energía osmótica representa un recurso enorme para la humanidad, pero su implementación está severamente limitada por la disponibilidad de membranas selectivas de iones de alto rendimiento, "dice Nicholas Kotov, el científico principal de EE. UU., profesor de ingeniería en la Universidad de Michigan.

Lei, Kotov, y sus colegas se propusieron resolver este problema recurriendo a los tejidos de los seres vivos como modelo, observando que se necesitan muchas variedades diferentes de membranas selectivas de iones de alto rendimiento para facilitar las reacciones biológicas en sus cuerpos. Notaron que mientras los tejidos blandos, como el cartílago, membranas renales, y membranas basales, permitir que los iones pasen con facilidad, son débiles y endebles. A diferencia de, los huesos son excepcionalmente fuertes y rígidos, pero sin el beneficio de un transporte de iones eficiente.

"Encontramos una manera de 'casar' estos dos tipos de materiales para obtener ambas propiedades al mismo tiempo, utilizando nanofibras de aramida que producen materiales fibrosos flexibles similares al cartílago y nitruro de boro que hace que las plaquetas sean similares al hueso, "Dice Kotov.

“Nuestras membranas de nanocompuestos bioinspirados tienen ciertas ventajas como una alta robustez y son más fáciles de fabricar y ofrecen una mayor multifuncionalidad que las membranas hechas de un solo material, "Dice Lei.

Los investigadores construyeron la membrana híbrida utilizando un ensamblaje capa por capa, un método para recrear compuestos complejos en capas que funciona especialmente bien para las tecnologías del agua. Aplicaron presión a un depósito de la membrana de nitruro de boro y aramida en una solución de cloruro de sodio para observar su corriente y la compararon con otras membranas de nanomateriales. encontrando que la estrechez de sus canales le permite atraer cationes de sodio y repeler los aniones de cloruro mejor que otros compuestos porosos. Lei, Kotov, y sus colegas también enjuagaron repetidamente la membrana en cloruro de sodio durante veinte ciclos para controlar su estabilidad, encontrando que continuó funcionando de manera óptima después de 200 horas.

"Nuestra nueva membrana compuesta tiene un grosor ajustable y una alta estabilidad a temperaturas que oscilan entre 0 y 95 grados Celsius y un pH de 2,8 a 10,8, "Dice Lei.

"Los componentes económicos y la longevidad de la membrana hacen que la recolección de energía oceánica sea realista, "dice Dan Liu, el autor principal del artículo, también en Deakin IFM.

En total, los investigadores concluyeron que la membrana de aramida-nitruro de boro es adecuada para soportar una amplia gama de condiciones que esperarían encontrar mientras genera energía osmótica. También creen que la tecnología es altamente escalable, especialmente porque sus dos componentes son económicos. Las nanofibras de aramida incluso se pueden recolectar de la tela de Kevlar desechada.

"Estas son las membranas de mejor rendimiento conocidas hasta ahora, "dice Kotov." Sin embargo, aún no están completamente optimizados. Potencialmente, se puede obtener un rendimiento aún mejor ".