Nomeado para o deus mítico com duas faces, As membranas de Janus - membranas de dupla face que servem como guardiões entre duas substâncias - surgiram como um material com potencial uso industrial. Criando duas "faces" distintas nessas superfícies delicadas, Contudo, é um processo repleto de desafios.

Ao aplicar uma técnica comum de fabricação de alta tecnologia de uma forma incomum, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram uma nova maneira de depositar quimicamente uma segunda face, resultando em membranas de Janus que são mais robustas e precisamente estruturadas do que as encarnações anteriores. Descrito recentemente em um artigo em Interfaces de materiais avançados, a tecnologia com patente pendente pode ajudar a otimizar ou permitir uma ampla gama de processos industriais, do tratamento de águas residuais à produção de biocombustíveis.

De acordo com Seth Darling de Argonne, Janus também é o deus romano das passagens, tornando o nome ainda mais adequado para essas membranas que marcam a fronteira entre as substâncias - transportando bolhas de gás em líquidos, por exemplo, ou separação de óleo e água. Darling é cientista do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne e diretora do Instituto de Engenharia Molecular (IME) do laboratório, o parceiro baseado em Argonne do Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago, do qual ele também é um companheiro.

De acordo com Darling, a pesquisa da membrana de Janus é parte de um esforço mais amplo em Argonne para promover um "novo ciclo da água" para a sociedade, em que a água seria tratada e reutilizada tantas vezes quanto possível antes de ser devolvida ao meio ambiente. Há toda uma biblioteca de materiais que podem ser usados ​​para criar novas membranas de Janus, observa querida, e cada um teria propriedades diferentes e ofereceria potencial para inúmeras novas aplicações.

Tipicamente, As membranas de Janus são tratadas quimicamente em um lado da membrana e não no outro, dando duas faces. Mas a adição dessa camada pode ser difícil de controlar usando os métodos atuais, tanto em termos de estabilidade do revestimento quanto na profundidade de sua penetração.

Os pesquisadores de Argonne voltaram-se para a deposição da camada atômica (ALD), uma técnica comumente usada em microeletrônica e fabricação de semicondutores, para melhorar o processo. Usando ALD, eles depositaram uma camada de óxido de alumínio que atrai água sobre uma membrana de polipropileno repelente de água, criando uma membrana de Janus estável que poderia ser usada, por exemplo, na aeração de bolhas finas de água.

ALD normalmente funciona para revestir um objeto completa e uniformemente, ao invés de parcialmente, assim como o objetivo com uma membrana de Janus.

"Não era intuitivo que essa estratégia funcionasse, "Darling diz." O truque que jogamos é usar uma membrana que tem poros muito pequenos.

Os minúsculos poros prendem os vapores que formam a primeira camada de óxido de alumínio antes que eles tenham a chance de penetrar completamente na membrana. Ao variar a duração e a pressão da aplicação de óxido de alumínio, a equipe de pesquisa foi capaz de produzir um revestimento fortemente unido em um lado da membrana com maior controle do que seria possível com qualquer outra técnica.

A capacidade de fazer membranas Janus com este nível de precisão e estabilidade pode introduzir novos níveis de eficiência em uma variedade de processos industriais. Em estações de tratamento de águas residuais, por exemplo, onde a aeração é usada para ajudar a quebrar os contaminantes, otimizar o processo de borbulhamento pode reduzir os gastos com energia. Membranas Janus aprimoradas também podem acelerar a emulsificação ou demulsificação de misturas de óleo-água, ambos importantes em uma ampla variedade de processos de fabricação. A Argonne está investindo no desenvolvimento de tecnologias de fabricação avançadas, como materiais com propriedades avançadas e processos de fabricação mais eficientes em termos de energia.

A técnica surgiu do que inicialmente parecia ser um experimento malsucedido conduzido por Ruben Waldman, um estudante de graduação no Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago. Darling está aconselhando Waldman em seu doutorado.

Waldman estava investigando como o ALD afetaria as membranas e notou que o óxido de alumínio não estava revestindo totalmente o lado inferior da membrana. Depois de consultar Hao-Cheng Yang, um especialista em membranas de Janus e um pós-doutorado que trabalha com Darling no CNM, Waldman decidiu ver se essa deposição unilateral poderia ser otimizada para obter a estratificação parcial necessária para as membranas Janus.