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(noticias nanowerk) Las membranas hechas de nanotubos de carbono alineados verticalmente (VaCNT) se pueden utilizar para purificar o desalinizar agua a altos caudales y bajas presiones. Recientemente, investigadores del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (KIT) y sus socios realizaron experimentos sobre la adsorción de hormonas esteroides para investigar el juego de fuerzas en los poros pequeños. Descubrieron que los VaCNT con una geometría de poro y una estructura de superficie de poro específicas son adecuados para su uso como membranas altamente selectivas.
Los investigadores informan en comunicación de la naturaleza (“Interacción de fuerzas que controlan la adsorción de microcontaminantes de hormonas esteroides en nanoporos alineados verticalmente de membranas de nanotubos de carbono”).
El agua potable es de vital importancia para todos en todo el mundo. Las membranas se utilizan para eliminar eficazmente microcontaminantes nocivos para la salud y el medio ambiente, como las hormonas esteroides. Un material de membrana prometedor consiste en nanotubos de carbono alineados verticalmente (VacNT).
«Este material es sorprendente: con pequeños poros de 1,7 a 3,3 nanómetros de diámetro, una forma cilíndrica casi perfecta y una torsión reducida», afirma la profesora Andrea Iris Schäfer, directora del Instituto de Tecnología Aplicada de Membranas (IAMT) del KIT. «Los nanotubos deberían tener un fuerte efecto de adsorción, pero con una fricción muy baja».
Actualmente, los poros son demasiado grandes para una retención eficaz, pero los poros más pequeños todavía no son técnicamente viables.
Interacción de fuerzas
En experimentos con microcontaminantes esteroides, los investigadores del IAMT investigaron por qué las membranas VaCNT son filtros de agua perfectos. Utilizaron membranas fabricadas por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) en Livermore (California, EE. UU.). El hallazgo: la baja adsorción de VaCNT, es decir, la deposición en la superficie, es deseable para membranas altamente selectivas que se dirigen a sustancias 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. Los nanoporos altamente permeables al agua tienen una baja interacción debido a la baja fricción y al alto caudal.
“Si las moléculas no se retienen debido a su tamaño, la interacción con el material a menudo determina lo que sucede”. Las moléculas saltan a través de la membrana, de forma similar a como un escalador trepa por una pared. «Es mucho más fácil si hay muchos buenos puntos de escalada», explica Schäfer.
Estudios como los de IAMT ayudan a diseñar específicamente la geometría de los poros y la estructura de la superficie de los poros.
Diez años para convertir la idea en un experimento
Las membranas fueron diseñadas por el Dr. Francesco Fornasiero y su equipo en LLNL. Los experimentos con los microcontaminantes se llevaron a cabo y evaluaron utilizando equipos de análisis de última generación en el IAMT.
«Tardaron unos diez años hasta que la idea se convirtió en un experimento exitoso que despertó un gran interés en la comunidad tecnológica de membranas», afirma Schäfer.
Producir membranas tan casi perfectas es extremadamente difícil. En áreas más grandes, de unos pocos centímetros cuadrados, la probabilidad de errores es muy alta. Y los defectos afectarían los resultados. En los últimos años, LLNL ha logrado producir membranas en superficies más grandes. Al mismo tiempo, los investigadores del IAMT construyeron sistemas de filtrado muy pequeños para experimentos destinados a retener trazas de contaminantes en un radio de dos centímetros cuadrados.
“Reducir el tamaño es extremadamente difícil. Que lo hayamos logrado juntos es un gran éxito”, afirma Schäfer. «Ahora estamos esperando el desarrollo de membranas con poros aún más pequeños».
El estudio fue el primero en centrarse en la interacción de fuerzas hidrodinámicas, fricción y fuerzas de atracción y repulsión. Proporciona información fundamental sobre el tratamiento del agua. Estos podrían promover procesos de ultra y nanofiltración controlados por nanoporos.
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