¿Más poros en un tamiz permiten que fluya más líquido a través de él? Como han descubierto los científicos de materiales, esta pregunta aparentemente simple puede tener una respuesta inesperada a nanoescala, y podría tener implicaciones importantes en el desarrollo de la filtración de agua, el almacenamiento de energía y la producción de hidrógeno.

Investigadores de UNSW Sydney, la Universidad de Duisburg-Essen (Alemania), GANIL (Francia) y el Instituto Tecnológico de Toyota (Japón) que experimentan con membranas de óxido de grafeno (GO) han descubierto que puede ocurrir lo contrario a nivel nanoscópico. La investigación, publicada en Nano Letters , muestra que el entorno químico del tamiz y la tensión superficial del líquido juegan un papel sorprendentemente importante en la permeabilidad.

Los investigadores observaron que una densidad de poros no conduce necesariamente a una mayor permeabilidad al agua; en otras palabras, tener más agujeros pequeños no siempre permite que el agua fluya a nanoescala. El estudio, financiado por la Unión Europea y la Fundación de Investigación Humboldt, arroja nueva luz sobre los mecanismos que gobiernan el flujo de agua a través de las membranas GO.

"Si crea más y más agujeros en un tamiz, espera que se vuelva más permeable al agua. Pero, sorprendentemente, eso es lo contrario de lo que sucedió en nuestros experimentos con membranas de óxido de grafeno", dice el profesor asociado Rakesh Joshi, autor principal de el estudio de la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales, UNSW Science.

Alteración del entorno químico

GO es una forma extremadamente delgada de carbono que se ha mostrado prometedora como material para la purificación del agua. El compuesto químico se compone de una sola capa de átomos de carbono con átomos de oxígeno e hidrógeno unidos. Si imagina esparcir ladrillos LEGO en su piso, el piso serían los átomos de carbono y los átomos de oxígeno e hidrógeno serían los ladrillos LEGO.

En química, las moléculas pueden tener lo que se conoce como "grupos funcionales" que son hidrófobos (repelen el agua) o hidrófilos (atraen el agua). Los poros del grafeno también pueden ser hidrofóbicos o hidrofílicos.

"Sorprendentemente, más importante para el flujo de agua (flujo de agua a través de una membrana) no es la cantidad de poros, sino si los poros son hidrofóbicos o hidrofílicos", dice Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. candidato y autor principal del estudio. "Eso es muy inesperado ya que las capas GO tienen solo un átomo de espesor. Uno espera que el agua simplemente pase a través de los poros, sin importar si atraen o repelen el agua".

A pesar de la presencia de muchos orificios diminutos en los filtros GO utilizados en la investigación, exhibieron un bloqueo total del agua en el caso de los poros hidrofóbicos.

"Con los filtros, normalmente esperas más flujo de agua con más orificios. Pero en nuestro caso, donde tenemos más orificios, el flujo de agua es menor, y eso se debe a la naturaleza química de los orificios de óxido de grafeno, que en este caso son repelentes al agua. ”, dice la profesora Marika Schleberger, coautora del estudio de Duisburg, Alemania.

Efectos inusuales de la tensión superficial

Los investigadores también dicen que la tensión superficial también contribuye a la interacción del agua con los poros GO. La tensión superficial surge porque las moléculas, como el agua, quieren permanecer juntas. Cuando está confinado en un espacio lo suficientemente pequeño, los enlaces entre el agua (cohesión) y las superficies sólidas circundantes (fuerza adhesiva) pueden actuar para mover el agua. Esto explica cómo los árboles pueden vencer la gravedad para tomar agua de sus raíces, por sus capilares, hasta sus hojas.

In GO membranes—where the "capillaries" in this case are pores made at the scale of 1 millionth of a millimeter or less—the very forces that allow water to climb tree capillaries prevent it from flowing through membrane pores.

"When you confine water in the smallest possible capillaries—just the size of a few atoms—the water molecules attract themselves so much they form a tight network. Undisturbed, this network is so strong that it doesn't allow the molecules to be released and pass through the sieve, even if you increase the number of pores," says Mr. Foller.

Ultrafine sieves made of different materials have a diverse range of applications. The researchers say their findings will help scientists fine-tune liquid transport in atomic sieves and could advance developments like highly precise water filtration systems.

"By understanding which parameters will increase or decreases water flux, we can optimize many possible applications of graphene oxide for water purification, energy storage, hydrogen production and more," Mr. Foller says. "We hope other engineers and scientists can use this new knowledge to improve their own devices, and lead to new developments in the future." + Explora más

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