Las membranas de nanotubos de carbono alineados verticalmente (VaCNT) se pueden utilizar para limpiar o desalinizar agua a alto caudal y baja presión. Recientemente, investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) y sus socios llevaron a cabo experimentos de adsorción de hormonas esteroides para estudiar la interacción de fuerzas en los poros pequeños.
Descubrieron que los VaCNT con una geometría de poro y una estructura de superficie de poro específicas son adecuados para su uso como membranas altamente selectivas. Su estudio se publica en Nature Communications. .
El agua potable es de vital importancia para todas las personas en todo el mundo. Las membranas se utilizan para eliminar eficazmente microcontaminantes, como las hormonas esteroides, que son perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Un material de membrana muy prometedor está hecho de nanotubos de carbono alineados verticalmente (VaCNT).
"Este material es asombroso:con pequeños poros de 1,7 a 3,3 nanómetros de diámetro, una forma cilíndrica casi perfecta y una pequeña torsión", dice la profesora Andrea Iris Schäfer, directora del Instituto de Tecnología Avanzada de Membranas (IAMT) del KIT. "Los nanotubos deberían tener un efecto altamente absorbente, pero con una fricción muy baja". Actualmente, los poros son demasiado grandes para una retención efectiva, pero los poros más pequeños aún no son técnicamente factibles.
En experimentos con microcontaminantes esteroides, los investigadores del IAMT estudiaron por qué las membranas VaCNT son filtros de agua perfectos. Utilizaron membranas producidas por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en Livermore (California). El hallazgo:la baja adsorción de VaCNT, es decir, la deposición en la superficie, es deseable para membranas altamente selectivas que apuntan a sustancias especiales.
El estudio revela que la adsorción en nanoporos de membrana no sólo depende de la superficie de adsorción y de la limitada transferencia de masa, sino también de la interacción de fuerzas hidrodinámicas, fricción y fuerzas de atracción y repulsión en la interfaz líquido-pared. Los nanoporos altamente permeables al agua exhiben una baja interacción debido a la pequeña fricción y al alto caudal.
"Cuando las moléculas no se retienen debido a su tamaño, la interacción con el material a menudo determinará lo que sucede. Las moléculas rebotarán a través de la membrana de manera similar a un escalador que escala una pared. Esto es mucho más fácil cuando hay muchos buenos puntos de escalada". explica Schäfer. Estudios como el realizado por IAMT ayudan a diseñar específicamente la geometría de los poros y la estructura de la superficie de los poros.
Diez años para convertir la idea en un experimento
Las membranas fueron desarrolladas por el Dr. Francesco Fornasiero y su equipo en LLNL. Los experimentos con los microcontaminantes se llevaron a cabo y evaluaron utilizando los últimos instrumentos analíticos del IAMT. "Se necesitaron unos 10 años para convertir la idea en un experimento exitoso que despertó el gran interés de la comunidad tecnológica de membranas", afirma Schäfer.
La producción de membranas tan casi perfectas es extremadamente difícil. En áreas más grandes, de algunos centímetros cuadrados, la probabilidad de defectos es muy alta. Y los defectos influirían en los resultados. En los últimos años, LLNL logró producir membranas en áreas más grandes. Paralelamente, los investigadores del IAMT construyeron sistemas de filtración muy pequeños para experimentos con el fin de retener trazas de contaminantes en dos centímetros cuadrados.
"La reducción de escala es extremadamente difícil. Haberlo logrado juntos es un gran éxito", afirma Schäfer. "Ahora estamos esperando que se desarrollen membranas con poros aún más pequeños."
El estudio fue el primero en centrarse en la interacción de fuerzas hidrodinámicas, fricción y fuerzas de atracción y repulsión. Proporciona conclusiones básicas con respecto al procesamiento del agua. Estos pueden beneficiar los procesos de ultrafiltración y nanofiltración controlados por nanoporos.
Más información: Minh N. Nguyen et al, Interacción de las fuerzas que rigen la adsorción de microcontaminantes de hormonas esteroides en nanoporos de membrana de nanotubos de carbono alineados verticalmente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44883-2
Proporcionado por el Instituto Tecnológico de Karlsruhe
