Os materiais auto-montados são atraentes para materiais de última geração, mas seu potencial para montar em nanoescala e formar nanoestruturas (cilindros, lamelas, etc.) permanece um desafio. Em um relatório recente, Xundu Feng e colegas dos departamentos interdisciplinares de engenharia química e ambiental, engenharia biomolecular, química e o centro de materiais avançados de baixa dimensão nos EUA, França, Japão e China, propôs e demonstrou uma nova abordagem para prevenir os desafios existentes. No estudo, eles exploraram o transporte seletivo de tamanho no meio contínuo de água de um modelo de polímero nanoestruturado formado usando um H liotrópico automontado ₁ (formato cilíndrico hexagonal) mesofase (um estado da matéria entre o líquido e o sólido). Eles otimizaram a composição da mesofase para facilitar a retenção de alta fidelidade do H ₁ estrutura na reticulação fotoinduzida.

O material polimérico nanoestruturado resultante era mecanicamente robusto com nanofibrilas reticuladas interna e externamente, rodeadas por um meio aquoso contínuo. A equipe de pesquisa fabricou uma membrana com seletividade de tamanho na escala de comprimento de 1 a 2 nm e permeabilidade à água de ~ 10 litros m ^-2 hora ^-1 Barra ^-1 μm. As membranas exibiram excelentes propriedades antimicrobianas para uso prático. Os resultados agora são publicados em Avanços da Ciência e representam um avanço para o uso potencial de nanofiltração baseada em membrana automontada em aplicações práticas de purificação de água.

A separação por membrana para filtração é amplamente utilizada em diversas aplicações técnicas, incluindo dessalinização de água do mar, separação de gás, processamento de comida, células de combustível e os campos emergentes de geração e destilação de energia sustentável. Durante a nanofiltração, solutos dissolvidos ou suspensos variando de 1 a 10 nm em tamanho podem ser removidos. Novas membranas de nanofiltração são de particular interesse para o tratamento de baixo custo de águas residuais para remover contaminantes orgânicos, incluindo pesticidas e metabólitos de medicamentos. As membranas de última geração atualmente sofrem de um trade-off entre permeabilidade e seletividade, onde o aumento da permeabilidade pode resultar em diminuição da seletividade e vice-versa. Uma vez que o trade-off originou-se dos limites estruturais intrínsecos das membranas convencionais, os cientistas de materiais incorporaram materiais automontados como uma solução atraente para realizar a separação altamente seletiva sem comprometer a permeabilidade.

Por exemplo, copolímeros em bloco (BCPs) e cristais líquidos de pequenas moléculas (LCs) podem se automontar em uma série de formas de mesofase com domínios em nanoescala periódicos para conter tamanhos e formas definidas termodinamicamente. As nanoestruturas bem ordenadas encontradas em BCPs e LCs na forma de cilindros, lamelas e giroides são modelos atraentes para fabricar membranas nanopore. Materiais de automontagem podem fornecer modelos úteis para controlar a organização de objetos discretos, como proteínas do canal de água ou nanotubos, para funcionar como poros de nanofiltração. Embora as membranas nanopore mostrem alta seletividade e permeabilidade para nanofiltração e ultrafiltração, os cientistas encontraram desafios durante seu desenvolvimento prático.

No presente trabalho, Feng et al. desenvolveu uma abordagem escalável para obter membranas de nanofiltração seletiva e altamente permeáveis ​​com propriedades anti-biofouling atraentes para atividades antimicrobianas. A membrana continha nanofibrilas moleculares ordenadas hexagonalmente realizadas por reticulação de um LC liotrópico cilíndrico direto. A membrana era mecanicamente robusta e resiliente tanto contra a desidratação quanto contra o inchaço pelo excesso de água. A estrutura automontada forneceu espaçamento uniforme e bem definido entre as nanofibrilas para alta seletividade da membrana e redução da complexidade da membrana, afastando-se do trabalho relatado anteriormente. As novas características diferenciam as membranas das membranas nanoestruturadas derivadas de LCs liotrópicas relatadas até o momento, para oferecer um caminho para a nanofiltração prática.

Para formar um H polimerizável ₁ mesofase com água, a equipe de pesquisa usou um surfactante catiônico, Brometo de 2- (metacriloiloxi) etil tetradecil dimetil amônio (METDAB) juntamente com reticuladores adicionais de dimetacrilato de etilenoglicol (EG-DMA) e oligo (etilenoglicol) dimetacrilato (OEG-DMA). A equipe de pesquisa sintetizou o monômero surfactante ou surfmer em uma reação de Menshutkin de etapa única e formou H ₁ fases à temperatura ambiente usando concentrações de METDAB variando de 55 a 80 porcentagem em peso.

Eles realizaram caracterizações estruturais detalhadas usando espalhamento de raios-X de baixo ângulo de alta resolução (SAXS) com microscopia de alta resolução para verificar a retenção do H ₁ mesofase após reticulação iniciada por UV. Eles otimizaram a composição para desenvolver 70 por cento em peso de METDAB com 22,8 por cento em peso de água, 5,4 por cento em peso de OEG-DMA e 1,8 por cento em peso de EG-DMA com fotoiniciador para formar um estável, H homogêneo ₁ gel de mesofase. A amostra de gel resultante mostrou excelente transparência para reter a integridade após imersão em água por 24 horas para resistência contra colapso estrutural devido ao inchaço pela água. Feng et al. obteve uma imagem TEM de alta resolução da amostra para observar uma matriz ordenada de nanofibrilas hexagonalmente empacotadas exibindo uma simetria de seis vezes.

A natureza contínua de água da automontada, reticulado H ₁ mesofase e sua resiliência mecânica foram atraentes para aplicação de membrana, que Feng et al. testado como uma prova de conceito. Por esta, eles produziram uma membrana reticulando uma película fina de H ₁ mesofase com exposição aos raios ultravioleta, em uma fonte comercial, membrana de ultrafiltração de poliacrilonitrila (PAN). Eles então criaram imagens de H ₁ / PAN composta de membrana usando um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e testou a morfologia de superfície usando microscopia de força atômica (AFM). Durante os experimentos, as membranas compostas mostraram uma forte seletividade de tamanho para moléculas de corante orgânico carregadas. Com base nos dados de transporte, Feng et al. mostraram que a membrana pode efetivamente separar solutos com base em seu tamanho e carga.

Os pesquisadores propõem investigações adicionais para destacar a fronteira entre os mecanismos de difusão poroso e de solução em membranas poliméricas. Por exemplo, a permeabilidade à água diminuiu até 50 por cento quando eles filtraram solutos carregados, mas permaneceu inalterada na presença de solutos naturais. As permeabilidades e a função das nanomembranas automontadas desenvolvidas no estudo foram comparadas favoravelmente às membranas de nanofiltração comerciais, como a Dow FILMTEC NF90-400. A equipe de pesquisa observou grupos de amônio quaternário voltados para a água nas nanofibrilas para representar o comportamento anti-biofouling devido às propriedades antimicrobianas bem estabelecidas dos grupos funcionais. Eles estudaram o potencial para comportamento anti-biofouling de H ₁ membranas usando um ensaio de enumeração de unidade formadora de colônia (CFU) padrão.

Durante os experimentos, eles mantiveram membranas PAN (grupo controle) ou H ₁ membranas em contato com bactérias gram-negativas (Escherichia coli) em suspensão por 3 horas. Quando eles sonicaram as membranas suavemente em solução salina, a bactéria destacou-se das superfícies para posterior cultura em ágar e incubação durante a noite. Os resultados mostraram o número de células viáveis ​​de E. coli no H ₁ membrana a ser 3 ordens de magnitude menor do que o controle, comprovando a atividade anti-biofouling das membranas. Os resultados confirmaram uma forte resposta antimicrobiana para H ₁ , como antecipado devido à presença de grupos de amônio quaternário.

Desta maneira, Xundu Feng e colegas relataram uma abordagem simples para projetar membranas de nanofiltração de polímero com uma estrutura única de arranjos de nanofibrilas ordenados. Na abordagem, eles usaram um cross-linkable, H liotrópico contínuo em água ₁ modelo de mesofase para criar a morfologia de interesse. Eles seguiram a etapa de engenharia com técnicas de caracterização de materiais para confirmar a formação de nanoestruturas altamente ordenadas com alta fidelidade para robustez mecânica. O presente trabalho foi o primeiro a obter imagens diretas do H liotrópico polimerizado ₁ mesofase.

Os cientistas sintetizaram as principais espécies constituintes do sistema METDAB em uma única etapa, usando reagentes prontamente disponíveis e baratos. Usando a membrana, eles demonstraram claro, seletividade baseada no tamanho com corantes moleculares como solutos modelo, ao lado de permeabilidades de água de aproximadamente 10 litros m ^-2 hora ^-1 Barra ^-1 μm. A equipe de pesquisa visa otimizar os procedimentos de fabricação para fornecer camadas seletivas mais finas, modificando a química de superfície das nanofibrilas para nanofiltração de água e tratamento com membranas antimicrobianas em aplicações práticas.

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