Diálise, no sentido mais geral, é o processo pelo qual as moléculas filtram de uma solução, por difusão através de uma membrana, em uma solução mais diluída. Fora da hemodiálise, que remove resíduos de sangue, cientistas usam diálise para purificar drogas, remover resíduos de soluções químicas, e isolar moléculas para diagnóstico médico, normalmente, permitindo que os materiais passem através de uma membrana porosa.

As membranas de diálise comerciais de hoje separam as moléculas lentamente, em parte devido à sua maquiagem:eles são relativamente grossos, e os poros que fazem túnel através de tais membranas densas o fazem em caminhos sinuosos, tornando difícil para as moléculas alvo passarem rapidamente.

Agora, os engenheiros do MIT fabricaram uma membrana de diálise funcional a partir de uma folha de grafeno - uma única camada de átomos de carbono, ligados ponta a ponta em configuração hexagonal como a de uma tela de arame. A membrana de grafeno, mais ou menos do tamanho de uma unha, tem menos de 1 nanômetro de espessura. (As membranas mais finas existentes têm cerca de 20 nanômetros de espessura.) A membrana da equipe é capaz de filtrar moléculas nanométricas de soluções aquosas até 10 vezes mais rápido do que as membranas de última geração, com o próprio grafeno sendo até 100 vezes mais rápido.

Embora o grafeno tenha sido amplamente explorado para aplicações em eletrônica, Piran Kidambi, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT, diz que as descobertas da equipe demonstram que o grafeno pode melhorar a tecnologia de membrana, particularmente para processos de separação em escala de laboratório e potencialmente para hemodiálise.

"Porque o grafeno é tão fino, a difusão através dele será extremamente rápida, "Kidambi diz." Uma molécula não precisa fazer esse trabalho tedioso de passar por todos esses poros tortuosos em uma membrana espessa antes de sair do outro lado. Mover o grafeno para este regime de separação biológica é muito emocionante. "

Kidambi é o principal autor de um estudo que relata a tecnologia, publicado hoje em Materiais avançados . Seis co-autores são do MIT, incluindo Rohit Karnik, professor associado de engenharia mecânica, e Jing Kong, professor associado de engenharia elétrica.

Conectando grafeno

Para fazer a membrana de grafeno, os pesquisadores primeiro usaram uma técnica comum chamada deposição de vapor químico para cultivar grafeno em folha de cobre. Eles então cuidadosamente gravaram o cobre e transferiram o grafeno para uma folha de suporte de policarbonato, cravejado de poros grandes o suficiente para permitir a passagem de quaisquer moléculas que tenham passado pelo grafeno. O policarbonato atua como um andaime, evitando que o grafeno ultrafino se enrole sobre si mesmo.

Os pesquisadores procuraram transformar o grafeno em uma peneira seletiva molecular, deixando passar apenas moléculas de um determinado tamanho. Para fazer isso, eles criaram minúsculos poros no material, expondo a estrutura ao plasma de oxigênio, um processo pelo qual o oxigênio, bombeado para uma câmara de plasma, pode gravar em materiais.

"Ajustando as condições do plasma de oxigênio, podemos controlar a densidade e o tamanho dos poros que fazemos, nas áreas onde o grafeno é puro, "Kidambi diz." O que acontece é, um radical de oxigênio chega a um átomo de carbono [no grafeno] e reage rapidamente, e ambos voam como dióxido de carbono. "

O que resta é um pequeno buraco no grafeno, onde um átomo de carbono uma vez se sentou. Kidambi e seus colegas descobriram que quanto mais o grafeno fica exposto ao plasma de oxigênio, quanto maiores e mais densos serão os poros. Tempos de exposição relativamente curtos, de cerca de 45 a 60 segundos, geram poros muito pequenos.

Defeitos desejáveis

Os pesquisadores testaram várias membranas de grafeno com poros de tamanhos e distribuições variadas, colocar cada membrana no meio de uma câmara de difusão. Eles encheram o lado de alimentação da câmara com uma solução contendo várias misturas de moléculas de tamanhos diferentes, variando de cloreto de potássio (0,66 nanômetros de largura) a vitamina B12 (1 a 1,5 nanômetros) e lisozima (4 nanômetros), uma proteína encontrada na clara do ovo. O outro lado da câmara foi preenchido com uma solução diluída.

A equipe então mediu o fluxo de moléculas à medida que se difundiam através de cada membrana de grafeno.

Membranas com poros muito pequenos deixam passar cloreto de potássio, mas não moléculas maiores, como L-triptofano, que mede apenas 0,2 nanômetros mais largo. Membranas com poros maiores deixam passar moléculas correspondentemente maiores.

A equipe realizou experimentos semelhantes com membranas de diálise comerciais e descobriu que, em comparação, as membranas de grafeno executaram com maior "permeance, "filtrando as moléculas desejadas até 10 vezes mais rápido.

Kidambi destaca que o suporte de policarbonato é gravado com poros que ocupam apenas 10 por cento de sua área superficial, o que limita a quantidade de moléculas desejadas que finalmente passam por ambas as camadas.

"Apenas 10 por cento da área da membrana é acessível, mas mesmo com esses 10 por cento, somos capazes de fazer melhor do que tecnologia de ponta, "Kidambi diz.

Para tornar a membrana de grafeno ainda melhor, a equipe planeja melhorar o suporte de policarbonato gravando mais poros no material para aumentar a permeabilidade geral da membrana. Eles também estão trabalhando para aumentar ainda mais as dimensões da membrana, que atualmente mede 1 centímetro quadrado. Ajustar ainda mais o processo de plasma de oxigênio para criar poros personalizados também melhorará o desempenho de uma membrana - algo que Kidambi aponta que teria consequências muito diferentes para o grafeno em aplicações eletrônicas.

"O que é empolgante é, o que não é ótimo para o campo da eletrônica é, na verdade, perfeito neste campo [de diálise por membrana], "Kidambi diz." Em eletrônica, você deseja minimizar os defeitos. Aqui você deseja fazer defeitos do tamanho certo. Isso mostra que o uso final da tecnologia dita o que você deseja na tecnologia. Essa é a chave. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.