Se ha demostrado que las membranas nanoporosas son herramientas valiosas para filtrar impurezas del agua y muchas otras aplicaciones. Sin embargo, aún queda mucho trabajo por hacer para perfeccionar sus diseños. Recientemente, el laboratorio del Prof. Amir Haji-Akbari ha demostrado que el lugar exacto donde se colocan los agujeros nanométricos en la membrana puede marcar una gran diferencia. Los resultados se publican en ACS Nano .
En los últimos años, las membranas nanoporosas hechas de grafeno, polímeros, silicio y otros materiales se han utilizado con éxito para separar gases, desalinizar agua, filtrar virus, generar energía, almacenar gases y administrar medicamentos. Sin embargo, crear membranas que dejen pasar todas las moléculas correctas y mantengan afuera las no deseadas ha resultado complicado.
Para desalinizar agua, por ejemplo, es crucial que la membrana tenga una alta permeabilidad al agua y al mismo tiempo bloquee suficientemente pequeños solutos iónicos y moleculares, así como otras impurezas. Pero los investigadores han descubierto que mejorar la permeabilidad de una membrana a menudo compromete su selectividad y viceversa.
Un enfoque prometedor es optimizar la química y la geometría de los nanoporos aislados para lograr la permeabilidad y selectividad deseadas, y colocar tantos poros como sea posible dentro de una membrana nanoporosa. Sin embargo, no está claro exactamente cómo se afectan entre sí los poros vecinos.
A nanoescala, las moléculas que interactúan con las paredes de los poros pueden exhibir comportamientos que desafían las teorías convencionales. El laboratorio Haji-Akbari exploró si podían diseñar sistemas de membranas innovadores con mayor precisión y eficiencia ajustando los nanoporos.
Con simulaciones por computadora, el equipo de investigación de Haji-Akbari descubrió que la proximidad a nanoescala entre los poros puede afectar negativamente a la permeabilidad al agua y al rechazo de la sal. Específicamente, crearon simulaciones de membranas con diferentes patrones de colocación de poros, incluida una red hexagonal y una red en forma de panal. Lo que encontraron fue que el patrón hexagonal, que permitía una mayor distancia entre los poros, tenía un mayor rendimiento de permeabilidad/selectividad que la membrana con el patrón de panal.
Estos efectos se desvían de las teorías establecidas, afirmó Haji-Akbari.
"Esta suposición de que la resistencia de los poros es independiente de la proximidad del poro no es correcta", afirmó Haji-Akbari, profesor asistente de ingeniería química y ambiental. "Claramente depende de la proximidad."
Sus hallazgos arrojan luz sobre cómo estos efectos aceleran los movimientos de ciertos iones a través de las membranas mientras hacen que otros iones se desaceleren. Además, puede contribuir a mejores diseños de membranas nanoporosas para procesos de separación mejorados, como la desalinización de agua y otras aplicaciones.
Más información: Brian A. Shoemaker et al, Correlaciones en sistemas multiporosos cargados:implicaciones para mejorar la selectividad y la permeabilidad en membranas nanoporosas, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07489
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por la Universidad de Yale
