(PhysOrg.com) - Muchos futuristas imaginan un mundo en el que se utilizan membranas de polímero con canales de tamaño molecular para capturar carbono, producir combustibles a base de energía solar, o desalar agua de mar, entre muchas otras funciones. Esto requerirá métodos mediante los cuales tales membranas se puedan fabricar fácilmente en grandes cantidades. Ahora se ha demostrado con éxito una técnica que representa un importante primer paso en ese camino.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y la Universidad de California (UC) Berkeley han desarrollado un método basado en soluciones para inducir el autoensamblaje de membranas poliméricas flexibles con canales subnanométricos altamente alineados. Totalmente compatible con los procesos comerciales de fabricación de membranas, Se cree que esta nueva técnica es el primer ejemplo de nanotubos orgánicos fabricados en una membrana funcional a distancias macroscópicas.

"Hemos utilizado péptidos cíclicos formadores de nanotubos y copolímeros de bloque para demostrar una técnica de co-ensamblaje dirigida para fabricar membranas porosas subnanométricas a distancias macroscópicas, "dice Ting Xu, un científico de polímeros que dirigió este proyecto. "Esta técnica debería permitirnos generar películas delgadas porosas en el futuro, donde el tamaño y la forma de los canales pueden adaptarse a la estructura molecular de los nanotubos orgánicos".

Xu, quien tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y los Departamentos de Ciencias e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California Berkeley, y química, es el autor principal de un artículo que describe este trabajo, que ha sido publicado en la revista ACS Nano . El artículo se titula "Películas delgadas porosas subnanométricas mediante el ensamblaje conjunto de subunidades de nanotubos y copolímeros de bloque". Los coautores del artículo con Xu fueron Nana Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuel Mao, y Brett Helms, que está con la Fundición Molecular, un centro de nanociencia del DOE alojado en Berkeley Lab.

Las membranas canalizadas son uno de los inventos más inteligentes e importantes de la naturaleza. Membranas perforadas con canales subnanométricos recubren el exterior y el interior de una célula biológica, controlar, en virtud del tamaño, el transporte de moléculas e iones esenciales en, mediante, y fuera de la celda. Este mismo enfoque tiene un enorme potencial para una amplia gama de tecnologías humanas, pero el desafío ha sido encontrar un medio rentable de orientar los canales subnanométricos alineados verticalmente sobre distancias macroscópicas en sustratos flexibles.

"Obtención de control a nivel molecular sobre el tamaño de los poros, forma, y la química de la superficie de los canales en las membranas de polímero se ha investigado en muchas disciplinas, pero sigue siendo un cuello de botella crítico, "Xu dice." Las películas compuestas se han fabricado utilizando nanotubos de carbono preformados y el campo está avanzando rápidamente, sin embargo, todavía presenta un desafío para orientar nanotubos preformados normales a la superficie de la película a distancias macroscópicas ".

Por sus canales subnanométricos, Xu y su grupo de investigación utilizaron los nanotubos orgánicos formados naturalmente por péptidos cíclicos, cadenas de proteínas polipeptídicas que se conectan en cada extremo para formar un círculo. A diferencia de los nanotubos de carbono preformados, estos nanotubos orgánicos son "reversibles, "lo que significa que su tamaño y orientación se pueden modificar fácilmente durante el proceso de fabricación. Para la membrana, Xu y sus colaboradores utilizaron copolímeros de bloque:secuencias largas o "bloques" de un tipo de molécula de monómero unidas a bloques de otro tipo de molécula de monómero. Así como los péptidos cíclicos se autoensamblan en nanotubos, los copolímeros de bloque se autoensamblan en matrices bien definidas de nanoestructuras a distancias macroscópicas. Se utilizó un polímero unido covalentemente al péptido cíclico como "mediador" para unir estos dos sistemas de autoensamblaje.

"El polímero conjugado es la clave, "Dice Xu." Controla la interfaz entre los péptidos cíclicos y los copolímeros de bloque y sincroniza su autoensamblaje. El resultado es que los canales de nanotubos solo crecen dentro del marco de la membrana de polímero. Cuando puedas hacer que todo funcione en conjunto de esta manera, el proceso realmente se vuelve muy simple ".

Xu y sus colegas pudieron fabricar membranas porosas subnanométricas que medían varios centímetros de ancho y presentaban arreglos de canales de alta densidad. Los canales se probaron mediante mediciones de transporte de gas de dióxido de carbono y neopentano. Estas pruebas confirmaron que la permeabilidad era mayor para las moléculas de dióxido de carbono más pequeñas que para las moléculas más grandes de neopentano. El siguiente paso será utilizar esta técnica para hacer membranas más gruesas.

"Teóricamente, no hay limitaciones de tamaño para nuestra técnica, por lo que no debería haber ningún problema en la fabricación de membranas en un área grande, ", Dice Xu." Estamos entusiasmados porque creemos que esto demuestra la viabilidad de sincronizar múltiples procesos de autoensamblaje al adaptar interacciones secundarias entre componentes individuales. Nuestro trabajo abre una nueva vía para lograr estructuras jerárquicas en un sistema multicomponente simultáneamente, lo que a su vez debería ayudar a superar el cuello de botella para lograr materiales funcionales utilizando un enfoque de abajo hacia arriba ".