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(Foco Nanowerk) Durante décadas, los investigadores han intentado desarrollar membranas que puedan filtrar el agua de forma eficaz y al mismo tiempo minimizar el consumo de energía. Estas membranas permitirían una desalinización energéticamente eficiente para producir agua dulce a partir de agua de mar o aguas residuales. Esto podría ayudar a proporcionar agua potable a pesar de la creciente escasez de agua.
Sin embargo, los materiales de membrana actuales, como los polímeros, tradicionalmente sufren de un equilibrio inherente entre permeabilidad y selectividad. Las membranas altamente permeables tienden a ser menos selectivas y permiten el paso de partículas disueltas no deseadas. Las membranas altamente selectivas, por otro lado, son menos permeables y requieren una presión y energía significativas para impulsar el agua.
Los científicos han propuesto el grafeno poroso y atómicamente delgado como un material de membrana ideal para superar este compromiso. Con nanoporos adecuados, la estructura 2D única del grafeno debería permitir una permeación extremadamente rápida y, al mismo tiempo, una selectividad precisa hasta el nivel molecular. Sin embargo, traducir esta promesa en membranas prácticas de gran superficie ha demostrado ser un enorme desafío.
Las membranas de grafeno son demasiado frágiles en su forma de monocapa en bruto y son propensas a agrietarse y obstruirse. Por lo tanto, el grafeno debe transferirse a sustratos porosos para lograr soporte mecánico e integración de módulos. Sin embargo, existe el riesgo de que se formen defectos entre las capas, lo que perjudicará el rendimiento de separación del grafeno. Las membranas resultantes también presentan poca resistencia a la presión, flexión, tensión y manipulación. Su resistencia mecánica limitada dificulta la fabricación escalable y la integración de dispositivos. Sin mejoras, las membranas de grafeno siguen siendo inadecuadas para su uso en el mundo real.
Teniendo esto en cuenta, investigadores de la Universidad de Pekín, la Universidad Normal de Beijing y la KU Leuven informaron recientemente sobre un método novedoso para fortalecer significativamente las membranas de grafeno de gran superficie. Publicado en Materiales funcionales avanzados (“Membranas de grafeno atómicamente delgadas y de área grande bioinspiradas”), su trabajo representa un progreso significativo hacia membranas de grafeno robustas para la purificación práctica del agua.
Los investigadores se inspiraron en la biología de las células vegetales. Las células vegetales están envueltas en una estructura compuesta resistente, con la membrana celular rodeada por una pared celular fibrosa. Esto proporciona resistencia mecánica para soportar gradientes de presión osmótica para el transporte de agua. El equipo adaptó estos principios bioinspirados y colocó grafeno entre una capa adhesiva de polímero a nanoescala y una matriz de soporte porosa no tejida.
Este refuerzo compuesto aumentó la tensión de fractura y la resistencia de la membrana de grafeno en un factor de 17 y 67, respectivamente, en comparación con las membranas de grafeno anteriores, y la rigidez de la membrana aumentó 94 veces. Las pruebas mostraron estabilidad bajo repetidas flexiones y manipulaciones. A diferencia de experimentos anteriores, ni siquiera en caso de curvaturas extremas se formaron grietas. La membrana resistió más de 10.000 ciclos de flexión manteniendo una alta cobertura de grafeno que superó con creces las películas poliméricas típicas. El rendimiento sorprendentemente robusto es el resultado de las sinergias entre la capa intermedia de polímero y la matriz de soporte de la red fibrosa que rodea el grafeno mecánicamente frágil.
Para permitir el transporte molecular selectivo, el equipo introdujo nanoporos en el grafeno mediante grabado con plasma de argón. Las pruebas demostraron que la membrana nanoporosa de grafeno bloquea completamente la permeabilidad del agua líquida hasta una presión de 5 bares. Esta impermeabilidad excepcional resulta de la tensión superficial del agua en los poros de angstrom del grafeno. Sin embargo, la membrana mostró una permeación de gas notablemente alta, seis órdenes de magnitud mayor que las películas de polímeros comerciales.
Específicamente, la membrana de grafeno mostró una permeabilidad al gas ultraalta de 8,6 a 23 L·m.-2 D-1 Pensilvania-1 junto con una tasa de transporte de vapor de agua excepcionalmente baja de 23-129 g-2 D-1. Este «rendimiento respiratorio» ajustable refleja los estomas de las hojas de las plantas. Variando el proceso del plasma, se ajusta la densidad de los nanoporos para adaptar la permeabilidad a los requisitos de las diferentes separaciones.
La novedosa arquitectura de membrana de grafeno reforzada del equipo superó los talones de Aquiles que durante mucho tiempo han obstaculizado la aplicación práctica de estos prometedores materiales. El método de fabricación escalable mejorado y la capacidad de integrar módulos representan un hito importante para el uso de membranas de grafeno.
De cara al futuro, el enfoque podría adaptarse a diversos materiales 2D, como el disulfuro de molibdeno, para ampliar las opciones de materiales de membrana con capacidades de separación deseables. Los investigadores enfatizaron que sus robustas membranas de grafeno aún requieren más desarrollo y pruebas antes de que sean comercialmente viables. Sin embargo, su trabajo innovador proporciona una base crucial y abre perspectivas interesantes para que las membranas de próxima generación hagan que la purificación del agua sea mucho más eficiente desde el punto de vista energético.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
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