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Las membranas de nanotubos de carbono alineadas verticalmente (VaCNT) se pueden utilizar para purificar o desalinizar agua con alto caudal y baja presión. Recientemente, investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) y sus colaboradores realizaron experimentos sobre la adsorción de hormonas esteroides para estudiar la interacción de fuerzas en poros microscópicos.
Descubrieron que los VaCNT con una geometría de poro y una estructura superficial específicas son adecuados para su uso como membranas altamente selectivas. El estudio fue publicado en comunicación de la naturaleza.
Cada persona en el planeta necesita acceso a agua potable. Las membranas se utilizan para eliminar eficazmente microcontaminantes como las hormonas esteroides, que son peligrosos para la salud humana y el medio ambiente. Un material de membrana prometedor consiste en nanotubos de carbono alineados verticalmente (VacNT).
Este material es sorprendente: con pequeños poros de entre 1,7 y 3,3 nanómetros de diámetro, una forma cilíndrica casi perfecta y una torsión reducida. Se dice que los nanotubos tienen un fuerte efecto adsorbente, pero tienen una fricción muy baja.
Andrea Iris Schäfer, profesora, Instituto de Tecnología Avanzada de Membranas, Instituto de Tecnología de Karlsruhe
Actualmente los poros son demasiado grandes para una retención eficaz, pero los poros más pequeños no son técnicamente prácticos.
Interacción de fuerzas
En estudios con microcontaminantes esteroides, los investigadores del IAMT investigaron por qué las membranas VaCNT son ideales como filtros de agua. Utilizaron membranas fabricadas por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en Livermore, California. El resultado: la baja adsorción o deposición superficial de VaCNT es útil para membranas altamente selectivas que se dirigen a moléculas específicas.
El estudio muestra que la adsorción en nanoporos de membrana depende no sólo de la superficie de adsorción y de la transferencia de masa limitada, sino también de la interacción de fuerzas hidrodinámicas, fricción y fuerzas de atracción y repulsión en la interfaz líquido-pared. Debido a su baja fricción y su rápida velocidad de flujo, los nanoporos altamente permeables al agua tienen poco contacto.
Pastor añadió: “Si las moléculas no se retienen debido a su tamaño, la interacción con el material suele ser el factor decisivo. Las moléculas saltan a través de la membrana, de forma similar a como un escalador trepa por una pared. Esto es mucho más fácil si hay muchas buenas presas para escalar..”
Con la ayuda de estudios como los de IAMT, se diseñan específicamente la geometría de los poros y la estructura de la superficie.
Diez años para convertir la idea en un experimento
En LLNL, la Dra. Francesco Fornasiero y sus colegas desarrollaron las membranas. Para realizar y evaluar las pruebas de microcontaminación se utilizaron los equipos analíticos más modernos de IAMT.
“Fueron necesarios unos diez años para que la idea se convirtiera en un experimento exitoso que atrajo un gran interés en la comunidad de tecnología de membranas.“Añadió Schefer.
Es todo un desafío producir membranas que sean casi perfectas. En áreas más grandes, de hasta unos pocos centímetros cuadrados, la probabilidad de defectos es muy alta. Y los defectos afectarían el resultado. LLNL ha logrado crear membranas en regiones más grandes en los últimos años. Al mismo tiempo, para mantener los rastros de contaminantes dentro de los dos centímetros cuadrados con fines de estudio, los investigadores del IAMT construyeron pequeños dispositivos de filtrado.
“La reducción de escala es extremadamente difícil. El hecho de que hayamos logrado esto juntos es un gran éxito. Ahora estamos esperando el desarrollo de membranas con poros aún más pequeños.“Schaefer continuó.
La investigación fue la primera en examinar cómo interactuaban las fuerzas hidrodinámicas, la fricción y la atracción y repulsión. Presenta resultados básicos sobre el tratamiento del agua. Estos podrían respaldar procesos de ultra y nanofiltración controlados por nanoporos.
Referencia de la revista:
Nguyen, Minnesota, et. Alabama. (2024) Interacción de fuerzas que controlan la adsorción de microcontaminantes de hormonas esteroides en nanoporos alineados verticalmente de membranas de nanotubos de carbono. comunicación de la naturaleza. doi:10.1038/s41467-024-44883-2.
Fuente: https://www.kit.edu/english/
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