¿Un colador con más poros deja pasar más líquido? Según los científicos de materiales, dado su reciente descubrimiento, esta pregunta aparentemente simple puede tener una respuesta sorprendente a nanoescala. Además, puede tener un impacto significativo en el almacenamiento de energía, la filtración de agua y la producción de hidrógeno.
Científicos de UNSW Sydney, la Universidad de Duisburg-Essen (Alemania), GANIL (Francia) y el Instituto Tecnológico de Toyota (Japón) estudiaron las membranas de óxido de grafeno (GO) y descubrieron que la contradicción puede ocurrir a nivel nanoscópico. El estudio se reporta nano letrasy muestra que el entorno químico del tamiz y la tensión superficial del líquido juegan un papel muy importante en la permeabilidad.
Descubrieron que una mayor permeabilidad al agua no está necesariamente relacionada con la densidad de los poros; en otras palabras, más pequeños agujeros no siempre permiten que fluya el agua a nanoescala. La investigación fue financiada por la Unión Europea y la Fundación de Investigación Humboldt. Hay nuevos conocimientos sobre los mecanismos que dirigen el flujo de agua a través de las membranas GO.
A medida que hace más y más agujeros en una pantalla, espera que se vuelva más permeable al agua. Pero, sorprendentemente, esto es lo contrario de lo que sucedió en nuestros experimentos con membranas de óxido de grafeno..
Rakesh Joshi, autor principal del estudio y profesor asociado, Facultad de ciencia e ingeniería de materiales, UNSW Science
Cambio en el entorno químico.
GO es una forma ultrafina de carbono que se ha convertido en un material prometedor para la purificación del agua. Una sola capa de átomos de carbono unidos a átomos de oxígeno e hidrógeno constituye la composición química. Si los ladrillos LEGO se esparcen por el suelo, los átomos de carbono serían el suelo y los ladrillos LEGO serían los átomos de oxígeno e hidrógeno.
En química, las moléculas podrían tener los llamados «grupos funcionales» que son hidrofílicos (atraen agua) o hidrofóbicos (repelen el agua). Los poros presentes en el grafeno también podrían ser hidrofílicos o hidrofóbicos.
Sorprendentemente, no es el número de poros lo que es decisivo para el flujo de agua (flujo de agua a través de una membrana), sino si los poros son hidrófobos o hidrófilos. Esto es muy inesperado ya que las capas GO tienen solo un átomo de espesor. Se espera que el agua simplemente fluya a través de los poros, ya sea que atraigan o rechacen el agua..
Tobias Foller, autor principal del estudio y estudiante graduado, UNSW Scientia
En el caso de los poros hidrofóbicos, los investigadores mostraron un bloqueo completo del agua a pesar de la presencia de múltiples poros en los filtros GO utilizados en el estudio.
Con los filtros, normalmente espera más flujo de agua con más orificios. Pero en nuestro caso donde tenemos más agujeros el flujo de agua es menor y eso se debe a la naturaleza química de los agujeros de óxido de grafeno que en este caso son repelentes al agua.
Marika Schleberger, coautora del estudio y profesora de la Universidad de Duisburg
Efectos inusuales de la tensión superficial
Según los investigadores, la tensión superficial junto con los poros GO también contribuye a la interacción del agua. La tensión superficial ocurre porque las moléculas similares al agua quieren adherirse entre sí. Los enlaces entre el agua (cohesión) y las superficies sólidas adyacentes (adhesión) podrían ayudar a mover el agua cuando está confinada en un espacio bastante pequeño. Esto describe cómo los árboles pudieron desafiar la gravedad para consumir agua desde sus raíces hasta sus capilares y sus hojas.
En las membranas GO, donde los poros en una escala de una millonésima de milímetro o incluso más pequeños son los «capilares», las mismas fuerzas que realmente hacen que el agua suba a través de los capilares de los árboles evitan que fluya a través de los poros de la membrana.
«Si encierra agua en los capilares más pequeños posibles, de unos pocos átomos de tamaño, las moléculas de agua se atraen con tanta fuerza que forman una red densa. Sin perturbaciones, esta red es tan fuerte que incluso si aumenta el número de poros, no permite que las moléculas se desprendan y pasen por el tamiz.‘, dice el señor Foller.
Las pantallas finas hechas de diferentes materiales tienen una amplia gama de aplicaciones. Los científicos dicen que sus hallazgos pueden ayudar a los investigadores a afinar el transporte de líquidos en tamices atómicos y permitir nuevos avances en áreas como los sistemas de filtración de agua extremadamente precisos.
«Al comprender qué parámetros aumentan o disminuyen el flujo de agua, podemos optimizar muchas aplicaciones posibles del óxido de grafeno para la purificación del agua, el almacenamiento de energía, la producción de hidrógeno y más.. Esperamos que otros ingenieros y científicos puedan utilizar este nuevo conocimiento para mejorar sus propios dispositivos y generar nuevos desarrollos en el futuro.‘, concluyó el Sr. Foller.
Referencia de la revista:
seguidores T, y otros. (2022) Transporte de masa a través de nanoporos en el plano en membranas de óxido de grafeno. nano letras. doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c01615.
Fuente: https://www.unsw.edu.au/
