Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han descubierto que los poros de la membrana de nanotubos de carbono podrían permitir procesos de diálisis ultrarrápidos que reducirían en gran medida el tiempo de tratamiento para los pacientes en hemodiálisis.

La capacidad de separar componentes moleculares en soluciones complejas es crucial para muchos procesos biológicos y artificiales. Una forma es mediante la aplicación de un gradiente de concentración a través de una membrana porosa. Esto impulsa iones o moléculas más pequeñas que los diámetros de los poros de un lado de la membrana al otro mientras bloquea cualquier cosa que sea demasiado grande para pasar a través de los poros.

En naturaleza, Las membranas biológicas, como las del riñón o el hígado, pueden realizar filtraciones complejas y, al mismo tiempo, mantener un alto rendimiento. Membranas sintéticas, sin embargo, a menudo luchan con un conocido compromiso entre selectividad y permeabilidad. Las mismas propiedades del material que dictan qué puede y qué no puede pasar a través de la membrana reducen inevitablemente la velocidad a la que puede ocurrir la filtración.

En un descubrimiento sorprendente publicado en la revista Ciencia avanzada , Los investigadores de LLNL descubrieron que los poros de nanotubos de carbono (cilindros de grafito con diámetros miles de veces más pequeños que un cabello humano) podrían proporcionar una solución a la disyuntiva entre permeabilidad y selectividad. Cuando se usa un gradiente de concentración como fuerza impulsora, iones pequeños, como el potasio, cloruro y sodio, se encontró que se difunden a través de estos poros diminutos más de un orden de magnitud más rápido que cuando se mueven en una solución a granel.

"Este resultado fue inesperado porque el consenso general en la literatura es que las tasas de difusión en los poros de este diámetro deben ser iguales a, o por debajo de lo que vemos a granel, "dijo Steven Buchsbaum, autor principal del artículo.

"Nuestro hallazgo enriquece el número de fenómenos nanofluídicos emocionantes y, a menudo, poco comprendidos, recientemente descubiertos en un confinamiento de unos pocos nanómetros, "añadió Francesco Fornasiero, el investigador principal del proyecto.

El equipo cree que este trabajo tiene implicaciones significativas en varias áreas tecnológicas. Las membranas que emplean nanotubos de carbono como canales de transporte podrían permitir procesos de hemodiálisis ultrarrápidos que reducirían en gran medida el tiempo de tratamiento. Similar, El coste y el tiempo de purificación de proteínas y otras biomoléculas, así como de la recuperación de valiosos productos de las soluciones de electrolitos, podrían reducirse drásticamente. El transporte de iones mejorado en pequeños poros grafíticos podría permitir supercondensadores con alta densidad de potencia incluso en tamaños de poro muy cercanos a los de los iones.

Para realizar estos estudios, el equipo aprovechó membranas desarrolladas previamente que permiten que el transporte se produzca solo a través del interior hueco de nanotubos de carbono alineados con unos pocos nanómetros de diámetro. Usando una celda de difusión personalizada, se aplicó un gradiente de concentración a través de estas membranas y se midió la velocidad de transporte de diversas sales y agua. "Hemos desarrollado pruebas de control rigurosas para asegurarnos de que no había otra explicación posible de los grandes flujos de iones registrados, como el transporte que se produce por fugas o defectos en nuestras membranas, "Dijo Buchsbaum.

Para comprender mejor por qué ocurre este comportamiento, el equipo contó con la ayuda de varios expertos de LLNL. Anh Pham y Ed Lau utilizaron simulaciones computacionales y April Sawvel utilizó espectroscopia de resonancia magnética nuclear para estudiar el movimiento de iones dentro de los nanotubos de carbono. Se han descartado con éxito varias explicaciones posibles, haciendo la imagen más clara. Sin embargo, una completa, Aún se está desarrollando una comprensión cuantitativa de las tasas de transporte observadas.