Cómo El Agua Puede Afectar Su Propia Filtración Para Crear Membranas Altamente Selectivas, Como Filtros De Virus

Membrana subnanoporosa

La membrana de tratamiento de agua líquida-cristalina subnanoporosa puede ser muy selectiva sobre lo que deja pasar. Crédito: © 2020 Kato y Harada et al.

Las membranas con poros microscópicos son útiles para la filtración de agua. El efecto del tamaño de los poros en la filtración de agua es bien conocido, al igual que el papel de los iones, átomos cargados, que interactúan con la membrana. Por primera vez, los investigadores han descrito con éxito el impacto que tienen las moléculas de agua en otras moléculas de agua y en los iones como parte del mecanismo de filtración. Los investigadores detallan un sistema de retroalimentación entre moléculas de agua que abre nuevas posibilidades de diseño para membranas altamente selectivas. Las aplicaciones pueden incluir filtros de virus.

La química sintética es un campo de estudio relacionado con la creación y exploración de nuevas sustancias y materiales que no existen en la naturaleza. A veces, se requiere una propiedad o comportamiento específico de un material para una aplicación como la fabricación farmacéutica o de alta tecnología. La química sintética puede ayudar a encontrar, crear o refinar materiales adecuados. Por ejemplo, las denominadas membranas de cristal líquido sintéticas podrían usarse para la filtración de agua.

Al filtrar agua u otros líquidos, el objetivo es separar los componentes químicos, como los iones, del fluido objetivo. El uso de una membrana porosa puede ser el método principal para hacer esto. Es intuitivamente obvio que los agujeros en una superficie evitarán que algo más grande que el agujero pase. Pero las membranas avanzadas como las membranas de cristal líquido sintético pueden tener poros de apenas unos nanómetros, mil millonésimas de metro de ancho. A estas escalas, la funcionalidad de la membrana es más que solo el tamaño de un poro.

“La química juega un papel importante en lo que sucede a estas pequeñas escalas”, dijo el profesor Takashi Kato del Departamento de Química y Biotecnología de la Universidad de Tokio. “En el caso de la filtración de agua, los poros tienen un tamaño que no deja pasar nada más grande que el agua. Sin embargo, también existen fuerzas electrostáticas entre iones y poros. Si el material está diseñado correctamente, estas fuerzas sirven como una barrera adicional para los iones, incluso si son más pequeños que los poros. Esto está bastante bien entendido. Pero hay otra sustancia importante en juego que puede afectar la filtración del agua, y esa es en realidad la molécula de agua en sí “.

El profesor Yoshihisa Harada del Instituto de Física del Estado Sólido de UTokyo y su equipo se propusieron describir completamente lo que se sospechaba desde hacía mucho tiempo, pero nunca antes se había explicado: cómo las moléculas de agua en el sitio de un poro interactúan con las moléculas de agua e iones circundantes. En realidad, esto es muy significativo en esta escala diminuta, donde incluso las fuerzas sutiles pueden afectar el rendimiento general de la membrana de filtración. También es extremadamente difícil extraer este tipo de información de los sistemas físicos.

“En teoría, podríamos usar simulaciones por computadora para modelar con precisión cómo se comporta e interactúa el agua durante la filtración, pero tales simulaciones requerirían grandes cantidades de poder de supercomputación”, dijo Harada. “Así que al menos inicialmente, recurrimos a un método físico para explorar estos mecanismos, llamado espectroscopía de emisión de rayos X suave de alta resolución basada en sincrotrón. Esto en sí mismo fue un desafío extremadamente complejo “.

Este proceso funciona tomando las emisiones de rayos X de un sincrotrón, un acelerador de partículas, y dirigiéndolas a la muestra bajo análisis. La muestra, en este caso la membrana y las moléculas de agua, altera algunas características del haz de rayos X, antes de que sea detectada y registrada por un sensor de alta resolución. Los cambios impuestos al haz de rayos X les dicen a los investigadores lo que estaba sucediendo dentro de la muestra en un alto grado de exactitud .

“No es fácil”, dijo Harada. “Debido a la delgadez de las membranas, las señales que esperábamos de las moléculas de agua objetivo en los poros son difíciles de diferenciar de las señales de fondo debido a la mayor parte de otras moléculas de agua. Así que tuvimos que restar las señales de nivel de fondo para hacer más visibles las señales de nuestro objetivo. Pero ahora me complace poder presentar la primera descripción del agua que actúa como parte de su material anfitrión. Al realizar este tipo de ciencia básica, esperamos que proporcione herramientas para que otros puedan construir ”.

Los nuevos modelos del equipo describen cómo las interacciones de las moléculas de agua son moduladas por partículas cargadas muy próximas. En los poros de la membrana, las moléculas de agua moduladas de cierta manera se unen preferentemente con otras moléculas de agua moduladas en el volumen. Un sistema dinámico como este, donde un cambio en alguna propiedad provoca un cambio adicional en esa misma propiedad, se conoce como ciclo de retroalimentación. Aunque pueden parecer matemáticamente complicados, estos modelos pueden ayudar a los ingenieros a crear métodos de filtración nuevos y efectivos.

“Las membranas de cristal líquido ya tienen poros de tamaño perfecto, mientras que los tipos de membranas anteriores eran más variados”, dijo Kato. “Combinado con nuestro nuevo conocimiento, nuestro objetivo es crear membranas que sean aún más selectivas sobre lo que dejan pasar que cualquier otra cosa que haya existido antes. Estos podrían hacer más que purificar el agua; podrían ser útiles, por ejemplo, en la construcción de baterías de iones de litio, como electrolitos que transportan iones de litio entre electrodos e incluso como filtro de virus. Como estas membranas son tan selectivas, podrían ajustarse para bloquear solo cosas muy específicas, lo que significa que también podrían usarse durante largos períodos antes de saturarse “.

Hay varias áreas que Harada, Kato y sus colegas desean explorar más a fondo. Estos experimentos físicos iniciales informarán a los modelos informáticos, por lo que las simulaciones informáticas avanzadas son una de esas áreas. Pero también desean observar las membranas celulares que median naturalmente el paso de iones como el potasio y el sodio; estudiarlos también podría ayudar a mejorar las membranas artificiales.

“Lo que es emocionante aquí es cómo la química, la física y la biología se combinan para dilucidar cosas tan aparentemente complejas”, dijo Harada.

Referencia: “Selectividad iónica de moléculas de agua en membranas de tratamiento de agua líquidas-cristalinas subnanoporosas: un estudio estructural de la unión de hidrógeno” por Ryusuke Watanabe, Takeshi Sakamoto, Kosuke Yamazoe, Jun Miyawaki, Takashi Kato y Yoshihisa Harada, 19 de octubre de 2020, Angewandte Chemie Edición internacional .
DOI: 10.1002 / anie.202008148

Este trabajo se llevó a cabo mediante una investigación conjunta de la Organización de Investigación de Radiación de Sincrotrón y el Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio (números de propuesta 2017B7403 y 20207507). Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI Grant Numbers JP19H05715 y JP19H05717 (Grant-in-Aid para Investigación Científica en Área Innovadora: Materiales Funcionales Acuáticos).

Añadir un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *