(PhysOrg.com) - Muitos futuristas imaginam um mundo em que membranas de polímero com canais de tamanho molecular são usadas para capturar carbono, produzir combustíveis baseados em energia solar, ou dessalinização da água do mar, entre muitas outras funções. Isso exigirá métodos pelos quais tais membranas possam ser prontamente fabricadas em grandes quantidades. Uma técnica que representa um primeiro passo significativo nessa estrada foi agora demonstrada com sucesso.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia (UC) Berkeley desenvolveram um método baseado em solução para induzir a automontagem de membranas poliméricas flexíveis com canais de subnanômetro altamente alinhados. Totalmente compatível com os processos comerciais de fabricação de membrana, acredita-se que esta nova técnica seja o primeiro exemplo de nanotubos orgânicos fabricados em uma membrana funcional em distâncias macroscópicas.

"Usamos peptídeos cíclicos formadores de nanotubos e copolímeros de bloco para demonstrar uma técnica de co-montagem dirigida para a fabricação de membranas porosas subnanômetro em distâncias macroscópicas, "diz Ting Xu, um cientista de polímeros que liderou este projeto. "Essa técnica deve nos permitir gerar filmes finos porosos no futuro, onde o tamanho e a forma dos canais podem ser ajustados pela estrutura molecular dos nanotubos orgânicos."

Xu, que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e com os Departamentos de Ciências e Engenharia de Materiais da Universidade da Califórnia de Berkeley, e Química, é o autor principal de um artigo que descreve este trabalho, que foi publicado no jornal ACS Nano . O artigo é intitulado "Subnanometer Porous Thin Films by the Co-assembly of Nanotube Subunits and Block Copolymers." A co-autoria do artigo com Xu foi Nana Zhao, Feng Ren, Rami Hourani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuel Mao, e Brett Helms, quem está com a Fundição Molecular, um centro de nanociências DOE hospedado no Berkeley Lab.

As membranas canalizadas são uma das invenções mais inteligentes e importantes da natureza. Membranas perfuradas com canais de subnanômetro alinham o exterior e o interior de uma célula biológica, controlar - em virtude do tamanho - o transporte de moléculas essenciais e íons para dentro, Através dos, e fora da célula. Essa mesma abordagem possui um enorme potencial para uma ampla gama de tecnologias humanas, mas o desafio tem sido encontrar um meio econômico de orientar canais de subnanômetro alinhados verticalmente em distâncias macroscópicas em substratos flexíveis.

"Obtendo o controle do nível molecular sobre o tamanho dos poros, forma, e a química da superfície dos canais em membranas poliméricas foi investigada em muitas disciplinas, mas permaneceu um gargalo crítico, "Xu diz." Filmes compostos foram fabricados usando nanotubos de carbono pré-formados e o campo está progredindo rapidamente, Contudo, ainda representa um desafio para orientar nanotubos pré-formados normais à superfície do filme em distâncias macroscópicas. "

Para seus canais de subnanômetro, Xu e seu grupo de pesquisa usaram os nanotubos orgânicos formados naturalmente por peptídeos cíclicos - cadeias de proteínas polipeptídicas que se conectam em ambas as extremidades para formar um círculo. Ao contrário dos nanotubos de carbono pré-formados, esses nanotubos orgânicos são "reversíveis, "o que significa que seu tamanho e orientação podem ser facilmente modificados durante o processo de fabricação. Para a membrana, Xu e seus colaboradores usaram copolímeros em bloco - longas sequências ou "blocos" de um tipo de molécula monomérica ligada a blocos de outro tipo de molécula monomérica. Assim como os peptídeos cíclicos se auto-montam em nanotubos, copolímeros em bloco se automontam em matrizes bem definidas de nanoestruturas ao longo de distâncias macroscópicas. Um polímero covalentemente ligado ao peptídeo cíclico foi usado como um "mediador" para ligar esses dois sistemas de automontagem

"O conjugado de polímero é a chave, "Diz Xu." Ele controla a interface entre os peptídeos cíclicos e os copolímeros em bloco e sincroniza sua automontagem. O resultado é que os canais de nanotubos só crescem dentro da estrutura da membrana do polímero. Quando você pode fazer tudo funcionar junto dessa maneira, o processo realmente se torna muito simples. "

Xu e seus colegas foram capazes de fabricar membranas porosas subnanométricas medindo vários centímetros de diâmetro e apresentando matrizes de canais de alta densidade. Os canais foram testados por meio de medições de transporte de gás de dióxido de carbono e neopentano. Esses testes confirmaram que a permeabilidade foi maior para as moléculas menores de dióxido de carbono do que para as moléculas maiores de neopentano. A próxima etapa será usar essa técnica para fazer membranas mais espessas.

"Teoricamente, não há limitações de tamanho para nossa técnica, então não deve haver problema em fazer membranas em grandes áreas, "Diz Xu." Estamos entusiasmados porque acreditamos que isso demonstra a viabilidade de sincronizar vários processos de automontagem adaptando as interações secundárias entre os componentes individuais. Nosso trabalho abre um novo caminho para alcançar estruturas hierárquicas em um sistema multicomponente simultaneamente, o que, por sua vez, deve ajudar a superar o gargalo para obter materiais funcionais usando uma abordagem de baixo para cima. "