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(Noticias de Nanowerk) Un equipo de la Universidad Queen Mary de Londres, el Imperial College de Londres (Reino Unido), la Universidad Northwestern de Evanston (EE. UU.) y la Universidad de Bielefeld (D) ha producido una nueva generación de nanomembranas poliméricas con moléculas macrocíclicas supramoleculares alineadas. Estas nuevas nanomembranas exhiben propiedades que prometen mejorar la eficiencia de los procesos de separación que se utilizan ampliamente en las industrias química y farmacéutica.
Las industrias químicas y farmacéuticas tradicionales utilizan entre el 45 y el 55 % de su consumo total de energía durante la producción para separaciones moleculares. Para que estos procesos sean más eficientes, más baratos, más respetuosos con el medio ambiente y, por tanto, más sostenibles, estos procesos deben sustituirse parcial o totalmente por nuevas estrategias de separación que hagan uso de tecnologías de membrana innovadoras y revolucionarias.
Publicación de sus resultados en la revista. Naturaleza («Poros de macrociclo alineados en películas ultrafinas para el tamizado molecular preciso»), el equipo demuestra que sus nanomembranas de polímero con macrociclos supramoleculares alineados exhiben propiedades de filtración excelentes y extremadamente selectivas, superando a las nanomembranas de polímero convencionales que se utilizan actualmente en las industrias química y farmacéutica. Las nanomembranas poliméricas convencionales tienen una amplia distribución de tamaño de poro que carece de una capacidad controlable para ajustarlas.
En este nuevo tipo de nanomembrana de polímero, los macrociclos predefinidos molecularmente se alinean para proporcionar poros subnanométricos como una puerta de filtro altamente eficiente, separando moléculas con una diferencia de tamaño de solo 0,2 nm.
Los investigadores muestran que la disposición, la orientación y la alineación de estas pequeñas cavidades podrían realizarse mediante moléculas de macrociclo funcionalizadas selectivamente, donde el borde superior con grupos altamente reactivos apunta preferentemente hacia arriba durante la reacción de reticulación. La arquitectura orientada de los macrociclos en las nanomembranas podría verificarse mediante la dispersión de rayos X de incidencia rasante de gran angular (GI-WAXS). Esto permite por primera vez la visualización de los poros del macrociclo subnanómetro bajo microscopía de fuerza atómica de alta resolución en ultra alto vacío, demostrando el concepto de explotar diferentes tamaños de nanoporos utilizando diferentes identidades de ciclodextrina con precisión de Angstrom.
Como prueba de concepto funcional, estas nanomembranas se utilizan para separaciones farmacéuticas de alta calidad para el enriquecimiento de aceite de cannabidiol (CBD) y exhiben una mayor permeabilidad al etanol y selectividad molecular que las membranas comerciales de última generación. Este concepto novedoso ofrece estrategias viables para alinear materiales porosos en nanoporos en membranas que permiten separaciones moleculares precisas, rápidas y energéticamente eficientes.
dr. Zhiwei Jiang, ahora becario de liderazgo futuro de EPSRC en Exactmer Ltd UK, dijo: “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.
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 de aplicación de membranas en industrias de alto valor que requieren una selectividad molecular precisa”.
“Este trabajo definitivamente no habría sido posible sin las contribuciones de nuestros empleados en los EE. UU. 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”.
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