Os canais de água em nanoescala que a natureza desenvolveu para transportar rapidamente moléculas de água para dentro e para fora das células podem inspirar novos materiais para limpar a produção química e farmacêutica. Os pesquisadores da KAUST adaptaram a estrutura das camadas de óxido de grafeno para imitar a forma de ampulheta desses canais biológicos, criando membranas ultrafinas para separar rapidamente as misturas químicas.

"Na fabricação de produtos farmacêuticos e outros produtos químicos, separar misturas de moléculas orgânicas é uma tarefa essencial e tediosa, "diz Shaofei Wang, pesquisadora de pós-doutorado no laboratório Suzana Nuñes da KAUST. Uma opção para tornar essas separações químicas mais rápidas e eficientes é por meio de membranas permeáveis ​​seletivamente, que apresentam canais em nanoescala personalizados que separam as moléculas por tamanho.

Mas essas membranas normalmente sofrem de um compromisso conhecido como a troca de rejeição de permeance. Isso significa que canais estreitos podem efetivamente separar as moléculas de diferentes tamanhos, mas também têm um fluxo inaceitavelmente baixo de solvente através da membrana, e vice-versa - eles fluem rápido o suficiente, mas tem um desempenho fraco na separação.

Nuñes, Wang e a equipe se inspiraram na natureza para superar essa limitação. As aquaporinas têm um canal em forma de ampulheta:largo em cada extremidade e estreito na seção hidrofóbica do meio. Esta estrutura combina alta permeabilidade a solventes com alta seletividade. Melhorando a natureza, a equipe criou canais que se alargam e estreitam em uma membrana sintética.

A membrana é feita de flocos de um nanomaterial de carbono bidimensional denominado óxido de grafeno. Os flocos são combinados em folhas com várias camadas de óxido de grafeno. As moléculas de solvente orgânico são pequenas o suficiente para passar pelos canais estreitos entre os flocos para atravessar a membrana, mas as moléculas orgânicas dissolvidas no solvente são muito grandes para seguir o mesmo caminho. As moléculas podem, portanto, ser separadas do solvente.

Para aumentar o fluxo de solvente sem comprometer a seletividade, a equipe introduziu espaçadores entre as camadas de óxido de grafeno para alargar as seções do canal, mimetizando a estrutura da aquaporina. Os espaçadores foram formados pela adição de uma molécula à base de silício nos canais que, quando tratado com hidróxido de sódio, reagiu em nanopartículas de dióxido de silício de forma local. "As nanopartículas hidrofílicas alargam localmente os canais intercamadas para aumentar a permeabilidade ao solvente, "Wang explica.

Quando a equipe testou o desempenho da membrana com soluções de corantes orgânicos, eles descobriram que ele rejeitou pelo menos 90 por cento das moléculas de corante acima de um tamanho limite de 1,5 nanômetro. Incorporando as nanopartículas com permança de solvente aprimorada de 10 vezes, sem prejudicar a seletividade. A equipe também descobriu que houve aumento da resistência da membrana e longevidade quando as ligações cruzadas químicas se formaram entre as folhas de óxido de grafeno e as nanopartículas.

"A próxima etapa será formular o material de nanopartículas de óxido de grafeno em membranas de fibra oca adequadas para aplicações industriais, "Diz Nuñes.