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Un grupo de investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres, el Imperial College de Londres, la Universidad Northwestern de Evanston, EE. UU., y la Universidad de Bielefeld, Alemania, ha desarrollado una nueva nanomembrana polimérica con moléculas macrocíclicas supramoleculares alineadas.
Crédito: INGENIOSAMENTE FOTÓGRAFO/Shutterstock.com
Estas nuevas nanomembranas exhiben propiedades que sugieren que aumentarán la eficiencia de las técnicas de separación que se utilizan ampliamente en las industrias química y farmacéutica.
Las separaciones moleculares representan el 45-55% de la energía consumida en la fabricación química y farmacéutica convencional.
Estos procesos deben ser reemplazados en gran parte o por completo por estrategias de separación innovadoras que utilicen tecnología de membrana avanzada para hacer que estos procesos sean más efectivos, asequibles, ecológicos y, por lo tanto, más sostenibles.
Los hallazgos del equipo de investigación, publicados en la revista Naturaleza, demuestran que sus nanomembranas de polímero basadas en macrociclos supramoleculares alineadas superan a las nanomembranas de polímero convencionales utilizadas actualmente en las industrias química y farmacéutica en términos de propiedades de filtración excepcionales y altamente selectivas. Las nanomembranas poliméricas convencionales tienen una amplia gama de diámetros de poro y ningún método para un ajuste preciso.
Los macrociclos diseñados molecularmente se alinean para crear poros subnanómetros en este nuevo tipo de nanomembranas poliméricas, que actúan como una puerta de filtro muy eficaz para moléculas con diferencias de tamaño tan pequeñas como 0,2 nm.
Los investigadores demuestran cómo las moléculas macrocíclicas selectivamente funcionalizadas, con el borde superior que contiene grupos altamente reactivos apuntando selectivamente hacia arriba durante la reacción de reticulación, podrían usarse para ensamblar y alinear estas cavidades microscópicas.
La dispersión de rayos X de incidencia rasante de gran angular (GI-WAXS) podría usarse para confirmar el ensamblaje orientado de macrociclos en nanomembranas.
Esto permite demostrar la idea de explotar diferentes diámetros de nanoporos usando diferentes identidades de ciclodextrina con precisión de Angstrom, y también ayuda a observar los poros del macrociclo a escala subnanométrica bajo microscopía de fuerza atómica de alta resolución en ultra alto vacío.
Estas nanomembranas exhiben una mayor permeabilidad al etanol y selectividad molecular que las membranas comerciales de última generación y se utilizan en separaciones farmacéuticas de alto valor para el enriquecimiento de aceite de cannabidiol (CBD) como prueba práctica de concepto.
Para fabricar membranas con nanoporos que permitan separaciones moleculares precisas, rápidas y energéticamente eficientes, este concepto único ofrece técnicas prácticas.
«La demanda de medicamentos derivados del CBD ha crecido rápidamente debido a su gran potencia en el tratamiento de la depresión, la ansiedad y el cáncer. Las técnicas actuales de vanguardia para separar las moléculas de CBD de los extractos son costosas y consumen mucha energía.”
Las membranas pueden proporcionar una alternativa rentable y energéticamente eficiente, pero requieren una separación precisa entre el CBD y otros componentes naturales de dimensiones similares disueltos en el solvente del extracto. Por lo tanto, el control preciso del tamaño de los poros de la membrana es fundamental para esta posibilidad.
dr. Zhiwei Jiang, becario de liderazgo futuro de EPSRC, Exactmer Ltd
«En nuestro trabajo, el tamaño de poro de las membranas de macrociclo alineadas se puede ajustar con precisión a Angstrom, lo que permite un transporte de solvente mayor en un orden de magnitud y un enriquecimiento de CBD tres veces mayor que las membranas comerciales de referencia. Esto amplía el gran potencial del uso de membranas en industrias de alto valor que requieren selectividad molecular precisa,«explicó la Dra. Jiang.
Él concluyó, «Este trabajo definitivamente no hubiera sido posible sin las contribuciones de nuestros colaboradores en los Estados Unidos y Alemania. Proporcionaron la principal evidencia para la alineación de los macrociclos (técnica GIWAXS de EE. UU.) y la visualización de los poros del macrociclo alineados (técnica AFM de Alemania). Sus resultados son importantes para verificar el diseño molecular y proporcionar una comprensión fundamental de estas membranas, y buscaremos más oportunidades de colaboración en el futuro.”
Referencia de la revista:
jiang z et al. (2022) Poros de macrociclo alineados en películas ultrafinas para un tamizado molecular preciso. Naturaleza. doi:10.1038/s41586-022-05032-1.
Fuente: https://www.qmul.ac.uk/
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