(Phys.org) —La modelización computacional ha proporcionado a los investigadores de materiales una nueva perspectiva de las propiedades de una membrana que purifica el agua salada en agua potable. La tecnología resultante podría ayudar a acelerar los procesos de desalinización ineficientes que se utilizan en la actualidad.

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge y el Instituto Politécnico Rensselaer utilizaron simulaciones de supercomputadoras en el Centro de Innovaciones Computacionales de RPI para explorar el potencial de purificación de un material híbrido llamado estructuras de óxido de grafeno. o GOF, introducido por primera vez en 2010.

"Se trata básicamente de láminas de grafeno oxidado conectadas por conectores químicos específicos de algunos de los sitios de oxidación, ", dijo Bobby Sumpter de ORNL." Debido a que está compuesto principalmente de carbono fuertemente unido, no se descompone en agua y tiene buenas propiedades mecánicas. Es un material emocionante con potencial para numerosas aplicaciones ".

Inicialmente intrigado por las propiedades electrónicas ajustables de los GOF, Sumpter y Vincent Meunier de RPI pronto se dieron cuenta de que el material podía usarse como membrana de desalinización.

Sistemas de ósmosis inversa, que representan aproximadamente el 40 por ciento de la capacidad de desalinización del mundo, generar agua dulce aplicando presión para forzar el agua salada a través de una membrana semipermeable.

"Un gran problema para la desalinización es la velocidad:¿cuánta agua puede extraer al día? "dijo Meunier, el Profesor de Física de las Constelaciones de Gail y Jeffrey L.Kodosky '70, Tecnologías de la información, y Emprendimiento en RPI. "Puede tener un excelente material de membrana, pero si puede tratar solo una taza de agua al día, eso no será útil ni rentable ".

Después de desarrollar modelos computacionales para describir las interacciones entre los átomos del material, Sumpter, Meunier y Adrien Nicolaï de RPI se propusieron calcular la configuración ideal para una membrana de desalinización GOF. Utilizaron computadoras de alto rendimiento para simular cómo el grosor de la capa, la densidad de los pilares de enlace, y la presión aplicada afectan el rendimiento del material.

"Hay un punto óptimo para la densidad de los enlazadores, "Dijo Meunier." Si tiene una alta densidad de enlazadores, será súper selectivo, pero también lo ralentizará. Necesita tanto selectividad como permeabilidad ".

Las simulaciones revelaron que el ajuste fino de la estructura GOF da como resultado la capacidad de eliminar todos los iones del agua salada a un ritmo mucho más rápido, aproximadamente 100 veces más rápido que los materiales que se utilizan actualmente como membranas de ósmosis inversa. El uso de grafeno repelente al agua como parte de la membrana porosa contribuye a un mayor rendimiento.

"El agua intenta evitar el contacto con el grafeno, para que pueda diseñarlo de tal manera que esté obligando al agua a no estar cerca de una capa, pero también a no estar cerca de la otra, ", Dijo Meunier." Este efecto crea canales, que dirigen el agua a través del sistema muy rápidamente ".

Las simulaciones más recientes del equipo se centraron en la eliminación de iones de sal, pero los investigadores señalan que el material GOF podría usarse como membranas de filtración para otros contaminantes como las bacterias. Dado que los GOF se elaboran con abundantes, materiales económicos a través de un proceso de fabricación estándar, los investigadores también creen que las membranas basadas en GOF podrían ayudar a que la desalinización sea más viable económicamente.

"Creemos que es escalable, que la industria de la ingeniería química podría producirlo a granel, "Dijo Sumpter.

Los últimos resultados del equipo se publican como "Desalinización de agua sintonizable a través de membranas de estructura de óxido de grafeno" en la revista. Física Química Física Química . La Oficina de Investigación Naval y la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía apoyaron la investigación.

Sumpter agrega que el proyecto del equipo ejemplifica cómo las colaboraciones interdisciplinarias, combinando la ciencia de los materiales, química Física, la biofísica y la simulación computacional pueden producir resultados significativos.

"La comprensión en diferentes disciplinas es fundamental para permitir estos importantes ejemplos de ciencia, ", dijo." Ese es el beneficio de la nanociencia, donde múltiples campos se unen para resolver un problema que es importante para la sociedad ".