Dentro de la materia existen vacíos o espacios vacíos en todas las escalas, desde la astronómica hasta la microscópica. En un nuevo estudio, los investigadores utilizaron microscopía de alta potencia y teoría matemática para revelar vacíos a nanoescala en tres dimensiones. Este avance está preparado para mejorar el rendimiento de muchos materiales utilizados en el hogar y en las industrias química, energética y médica, particularmente en el área de filtración.

La ampliación de los filtros comunes utilizados en el hogar muestra que, si bien parecen una pieza sólida de material con orificios uniformes, en realidad están compuestos por millones de pequeños huecos orientados aleatoriamente que permiten el paso de pequeñas partículas. En algunas aplicaciones industriales, como la filtración de agua y disolventes, membranas finas como el papel forman las barreras que separan los fluidos y las partículas.

"La comunidad científica de materiales ha sido consciente de estos vacíos a nanoescala orientados aleatoriamente dentro de las membranas de los filtros desde hace un tiempo", afirmó Falon Kalutantirige, estudiante de posgrado de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

"El problema era que la compleja estructura de la membrana en su conjunto, que parece cadenas montañosas a nanoescala cuando se magnifica, estaba bloqueando nuestra visión de los espacios vacíos. Como no podíamos verlos, no podíamos entender completamente cómo afectaban la filtración. Sabíamos que si podíamos encontrar una manera de verlos, podríamos descubrir cómo funcionan y, en última instancia, mejorar el rendimiento de la membrana del filtro".

El estudio, dirigido por el profesor de ingeniería y ciencia de materiales de Illinois, Qian Chen, y el profesor Ying Li de la Universidad de Wisconsin-Madison, es el primero en integrar la ciencia de materiales y un concepto matemático llamado teoría de grafos para ayudar a visualizar y mapear la ubicación aleatoria de estos vacíos dentro. materiales de filtración. Los hallazgos se publican en la revista Nature Communications. .

Basándose en un estudio anterior que utilizó modelos de laboratorio, los investigadores dijeron que el nuevo estudio se centra en membranas mucho más complejas utilizadas en aplicaciones industriales.

"Las superficies de las membranas que estudiamos en este trabajo parecen planas a simple vista, pero cuando las acercamos usando microscopía electrónica de transmisión, tomografía electrónica y microscopía de fuerza atómica, pudimos observar estos vacíos ubicados dentro de estos paisajes montañosos a nanoescala que llamamos arrugas. ", afirmó Kalutantirige, el primer autor del estudio.

Sin embargo, el equipo necesitaba un medio para medir y mapear estas características para construir un modelo predictivo cuantitativo y obtener una imagen más holística de las superficies de las membranas.

"El mapeo y la medición por sí solos funcionarán para materiales con una estructura regular o periódica, lo que hará que sea matemáticamente sencillo ampliar nuestros modelos y predecir cómo las propiedades estructurales influirán en el rendimiento del material", afirmó Chen.

"Pero la irregularidad que observamos en nuestro estudio nos empujó a utilizar la teoría de grafos, que nos proporciona una forma matemática de describir este material heterogéneo y desordenado, pero práctico".

La teoría de grafos ayudó al equipo a obtener finalmente una comprensión más holística de la estructura de la membrana del filtro, lo que los llevó a descubrir una fuerte correlación entre las propiedades físicas y mecánicas únicas del espacio vacío aleatorio y un rendimiento de filtración mejorado.

"Nuestro método es una técnica muy universal para describir materiales", dijo Kalutantirige. "Muchas cosas que utilizamos en la vida cotidiana y en la ciencia no están hechas de materiales compuestos de estructuras uniformes repetitivas. Entonces, creo que la belleza del método es que podemos capturar la 'regularidad' de las estructuras irregulares".

El equipo afirmó que este avance mejorará la eficacia de muchos materiales porosos de próxima generación, como los polímeros utilizados en la administración de fármacos.

"El título de este estudio insinúa el concepto de 'más allá de la nada', y con eso queremos decir que estos espacios vacíos son realmente importantes cuando se trata de desarrollar las mejores membranas de filtración", dijo Chen. "Este trabajo sólo es posible con nuestro maravilloso equipo de colaboradores. Xiao Su nos ayudó con las pruebas de rendimiento de la membrana. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder y Jeffrey Moore trabajaron con nosotros en la síntesis y análisis de los sistemas poliméricos".

Chen también está afiliado a la ingeniería química y biomolecular, la química, el Laboratorio de Investigación de Materiales y el Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas. Jinlong He de UW-Madison; Hyosung An de la Universidad Nacional de Chonnam, Corea; y los investigadores de Illinois Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou y John Smith también contribuyeron al estudio.

Más información: Más allá de la nada en la formación y relevancia funcional de los huecos en películas de polímeros" está disponible en línea, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46584-2

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign