Al crear agujeros a escala atómica en membranas atómicamente delgadas, debería ser posible crear tamices moleculares para una separación de gases precisa y eficiente, incluida la extracción de dióxido de carbono del aire, según descubrieron investigadores de la Universidad de Manchester.

Si el tamaño de un poro en una membrana es comparable al tamaño de los átomos y las moléculas, estos pueden atravesar la membrana o ser rechazados, lo que permite la separación de gases según sus diámetros moleculares. Las tecnologías industriales de separación de gases utilizan ampliamente este principio, a menudo basándose en membranas de polímeros con diferente porosidad. Siempre hay un compromiso entre la precisión de la separación y su eficiencia:cuanto más fino se ajusta el tamaño de los poros, menos flujo de gas permiten estos tamices.

Durante mucho tiempo se ha especulado que, al usar membranas bidimensionales de un grosor similar al grafeno, se pueden lograr compensaciones mucho mejores que las que se pueden lograr actualmente porque, a diferencia de las membranas convencionales, las membranas atómicamente delgadas deberían permitir flujos de gas más fáciles para la misma selectividad.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por el profesor Sir Andre Geim de la Universidad de Manchester, en colaboración con científicos de Bélgica y China, ha utilizado electrones de baja energía para perforar agujeros individuales a escala atómica en grafeno suspendido. Los agujeros tenían tamaños de hasta dos angstroms, más pequeños que incluso los átomos más pequeños, como el helio y el hidrógeno.

En la edición de diciembre de Nature Communications , los investigadores informan que lograron una selectividad prácticamente perfecta (superior al 99,9 %) para gases como el helio o el hidrógeno con respecto al nitrógeno, el metano o el xenón. Además, las moléculas de aire (oxígeno y nitrógeno) pasan fácilmente a través de los poros en comparación con el dióxido de carbono, que se captura>95 %.

Los científicos señalan que para que las membranas bidimensionales sean prácticas, es esencial encontrar materiales atómicamente delgados con poros intrínsecos, es decir, poros dentro de la propia red cristalina.

"Ciertamente, los tamices de precisión para gases son posibles y, de hecho, conceptualmente no son muy diferentes a los que se usan para tamizar arena y materiales granulares. Sin embargo, para que esta tecnología sea relevante industrialmente, necesitamos membranas con poros densamente espaciados, no agujeros individuales creados en nuestro estudio para probar el concepto por primera vez. Solo entonces se pueden lograr los altos flujos requeridos para la separación de gases industriales", dice el Dr. Pengzhan Sun, autor principal del artículo.

El equipo de investigación ahora planea buscar materiales bidimensionales con grandes poros intrínsecos para encontrar los más prometedores para futuras tecnologías de separación de gases. Tales materiales existen. Por ejemplo, hay varios grafenos, que también son alótropos de carbono atómicamente delgados pero que aún no se fabrican a escala. Estos parecen grafeno pero tienen anillos de carbono más grandes, de tamaño similar a los defectos individuales creados y estudiados por los investigadores de Manchester. El tamaño correcto puede hacer que los grafenos sean perfectamente adecuados para la separación de gases. + Explora más

Membranas de tamiz molecular de dimensión cero para mejorar la selectividad de separación de gases