Un equipo de la Universidad Queen Mary de Londres, el Imperial College de Londres (Reino Unido), la Universidad Northwestern de Evanston (EE. UU.) y la Universidad de Bielefeld (D) han producido una nueva generación de nanomembranas poliméricas con moléculas macrocíclicas supramoleculares alineadas. Estas nuevas nanomembranas demuestran propiedades que prometen mejorar la eficiencia de los procesos de separación ampliamente utilizados en las industrias química y farmacéutica.

Las industrias química y farmacéutica convencionales utilizan entre el 45% y el 55% de su consumo total de energía durante la producción en separaciones moleculares. Para que estos procesos sean más eficientes, rentables, respetuosos con el medio ambiente y, por lo tanto, sostenibles, estos procesos deben reemplazarse parcial o totalmente por nuevas estrategias de separación que hagan uso de tecnologías de membrana innovadoras y pioneras.

Publicando sus resultados en la revista Nature , el equipo muestra que sus nanomembranas poliméricas con macrociclos supramoleculares alineados exhiben propiedades de filtración excelentes y extremadamente selectivas que superan las nanomembranas poliméricas convencionales que se utilizan actualmente en las industrias química y farmacéutica. Las nanomembranas poliméricas convencionales tienen una amplia distribución del tamaño de los poros que carece de una forma controlable para ajustarse con precisión.

En esta nueva generación de nanomembranas poliméricas, los macrociclos molecularmente predefinidos se alinean para proporcionar poros subnanométricos como una puerta de entrada de filtración altamente efectiva que separa moléculas con una diferencia de tamaño tan baja como 0,2 nm. Los investigadores muestran que la disposición, la orientación y la alineación de estas pequeñas cavidades podrían realizarse mediante moléculas de macrociclo funcionalizadas selectivamente, en las que el borde superior con grupos altamente reactivos mira preferentemente hacia arriba durante la reacción de reticulación. La arquitectura orientada de los macrociclos en las nanomembranas podría verificarse mediante la dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante (GI-WAXS). Esto nos permite, por primera vez, visualizar los poros del macrociclo subnanómetro bajo microscopía de fuerza atómica de alta resolución en vacío ultraalto, lo que demuestra el concepto de explotar diferentes tamaños de nanoporos usando diferentes identidades de ciclodextrina con precisión de Angstrom.

Como prueba de concepto funcional, estas nanomembranas se aplican a separaciones farmacéuticas de alto valor para enriquecer el aceite de cannabidiol (CBD), mostrando una mayor permeabilidad al etanol y selectividad molecular que las membranas comerciales de última generación. Este concepto novedoso ofrece estrategias viables para orientar materiales porosos en nanoporos en membranas que pueden proporcionar separaciones moleculares precisas, rápidas y energéticamente eficientes.

El Dr. Zhiwei Jiang, ahora miembro de liderazgo futuro de EPSRC en Exactmer Ltd U.K., dijo:"La demanda de productos farmacéuticos derivados del CBD ha crecido rápidamente, debido a su gran eficacia en el tratamiento de la depresión, la ansiedad y el cáncer. Estado actual de la Las técnicas de última generación para separar las moléculas de CBD de los extractos son costosas y consumen mucha energía. Las membranas pueden ofrecer una alternativa rentable y energéticamente eficiente, pero requieren separaciones precisas entre el CBD y otros componentes naturales de dimensiones similares disueltos en el solvente del extracto. Por lo tanto, un control preciso del tamaño de los poros de la membrana es fundamental para esta oportunidad.

"En nuestro trabajo, el tamaño de poro de las membranas de macrociclo alineadas se puede ajustar con precisión Angstrom, lo que permitió un transporte de solvente un orden de magnitud mayor y un enriquecimiento de CBD tres veces mayor que las membranas comerciales de referencia. Esto amplía el gran potencial de aplicación membranas en industrias de alto valor que requieren una selectividad molecular precisa".

"Este trabajo definitivamente no hubiera sido posible sin las contribuciones de nuestros colaboradores en los EE. UU. y Alemania. Proporcionaron la evidencia clave que muestra la alineación de los macrociclos (técnica GIWAXS de EE. UU.) y la visualización de los poros del macrociclo alineados (técnica AFM de Alemania). ). Sus resultados son importantes para verificar el diseño molecular y ofrecer una comprensión fundamental de estas membranas, y buscaremos más oportunidades de colaboración en el futuro". + Explora más

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