Los materiales bidimensionales se han ensamblado con éxito en dispositivos con los orificios más pequeños posibles hechos por el hombre para la desalinización del agua.

Investigadores del Instituto Nacional de Grafeno (NGI) de la Universidad de Manchester han logrado fabricar pequeñas hendiduras en una nueva membrana que tienen solo varios angstroms (0,1 nm) de tamaño. Esto ha permitido estudiar cómo pasan varios iones a través de estos diminutos agujeros.

Las ranuras están hechas de grafeno, nitruro de boro hexagonal (hBN) y disulfuro de molibdeno (MoS2) y, asombrosamente, Permita que los iones con diámetros mayores que el tamaño de la hendidura penetren. Los estudios de exclusión de tamaño permiten una mejor comprensión de cómo funcionan los filtros biológicos de escala similar, como las acuaporinas, y ayudarán en el desarrollo de filtros de alto flujo para la desalinización de agua y tecnologías relacionadas.

Para los científicos interesados ​​en el comportamiento de los fluidos y su filtración, Ha sido un objetivo final, pero aparentemente distante, fabricar capilares de forma controlable con dimensiones que se acercan al tamaño de iones pequeños y moléculas de agua individuales.

Los investigadores han estado tratando de imitar los sistemas de transporte de iones que ocurren naturalmente, pero esto ha resultado no ser una tarea fácil. Los canales fabricados con técnicas estándar y materiales convencionales lamentablemente han estado limitados en tamaño por la rugosidad intrínseca de la superficie de un material. que suele ser al menos diez veces mayor que el diámetro hidratado de los iones pequeños.

A principios de este año, las membranas a base de óxido de grafeno desarrolladas en el NGI atrajeron una atención considerable como candidatos prometedores para nuevas tecnologías de filtración. Esta investigación que utiliza el nuevo conjunto de herramientas de materiales 2-D demuestra el potencial del mundo real de proporcionar agua potable limpia a partir de agua salada.

Para comprender mejor los mecanismos fundamentales detrás del transporte de iones, un equipo dirigido por Sir Andre Geim de la Universidad de Manchester hizo rendijas atómicamente planas que medían solo varios angstroms de tamaño. Estos canales son químicamente inertes con paredes lisas en la escala de angstrom.

Los investigadores hicieron sus dispositivos de hendidura a partir de dos placas de grafito de cristal de 100 nm de grosor que miden varios micrones de ancho y que obtuvieron al afeitar los cristales de grafito a granel. Luego colocaron piezas de forma rectangular de cristales atómicos bidimensionales de grafeno bicapa y monocapa MoS2 en cada borde de una de las placas de cristal de grafito antes de colocar otra placa encima de la primera. Esto produce un espacio entre las losas que tiene una altura igual al espesor de los espaciadores.

"Es como tomar un libro, colocando dos cerillas en cada uno de sus bordes y luego colocando otro libro encima ", explica Geim." Esto crea un espacio entre las superficies de los libros con la altura del espacio igual al grosor de las cerillas. En nuestro caso, los libros son los cristales de grafito atómicamente planos y las cerillas son el grafeno, o monocapas de MoS2 ".

El conjunto se mantiene unido por fuerzas de van der Waals y las ranuras son aproximadamente del mismo tamaño que el diámetro de las acuaporinas. que son vitales para los organismos vivos. Las ranuras son del tamaño más pequeño posible, ya que las ranuras con espaciadores más delgados son inestables y colapsan debido a la atracción entre paredes opuestas.

Los iones fluyen a través de las rendijas si se aplica un voltaje a través de ellas cuando se sumergen en una solución iónica, y este flujo de iones constituye una corriente eléctrica. El equipo midió la conductividad iónica a medida que pasaban a través de soluciones de cloruro a través de las rendijas y descubrió que los iones podían moverse a través de ellas como se esperaba bajo un campo eléctrico aplicado.

"Cuando miramos con más atención, descubrimos que los iones más grandes se movían más lentamente que los más pequeños, como el cloruro de potasio ", explica el Dr. Gopi Kalon, un investigador postdoctoral que dirigió el esfuerzo experimental.

Dr. Ali Esfandiar, quién es el primer autor del artículo, agrega "El punto de vista clásico es que los iones con un diámetro mayor que el tamaño de la rendija no pueden penetrar, pero nuestros resultados muestran que esta explicación es demasiado simplista. De hecho, los iones se comportan como pelotas de tenis blandas en lugar de duras de billar, y los iones grandes aún pueden pasar, ya sea distorsionando sus conchas de agua o tal vez eliminándolas por completo.

La nueva investigación publicada en Ciencias , muestra que estos mecanismos recientemente observados juegan un papel clave para la desalinización utilizando la exclusión por tamaño y es un paso clave para crear membranas de desalinización de agua de alto flujo.