p Mais de 800 milhões de pessoas não têm acesso a água limpa e segura. Avanços recentes na tecnologia de filtragem de água criaram novas maneiras de filtrar a água e torná-la potável, mas muitos desses aplicativos são muito caros e complicados para serem usados ​​em partes remotas do mundo. Osmose Inversa, por exemplo, pode tornar a água do mar potável, mas o processo é incrivelmente caro e requer uma grande quantidade de energia. p Um novo estudo do laboratório de Chinedum Osuji descreve uma nova maneira de criar filtros de água em nanoescala que são flexíveis e robustos, e ainda têm propriedades antimicrobianas. Pós-doutorado Xunda Feng, agora na Donghua University, e Yizhou Zhang e o estudante de graduação Qaboos Imran são os co-autores deste artigo. Seu trabalho foi publicado em Avanços da Ciência .

p Ao projetar um filtro em nanoescala, os engenheiros geralmente começam com algo que se assemelha a uma peneira microscópica ou peneira. A água viaja através de orifícios individuais que são espalhados ao longo do filtro e são mantidos juntos por um material sólido que preenche o espaço ao seu redor.

p O grupo de Osuji, que inclui especialistas na modificação da química de polímeros em bloco, grandes cadeias de moléculas com grandes "blocos" de sequências repetidas, encontrou algo inesperado enquanto estudava outro material semelhante. Sua descoberta os levou a "inverter" sua estratégia de design:transformar os "orifícios" do filtro em fibras sólidas, deixando abertas as porções anteriormente sólidas da estrutura.

p "Mas se você pegar um material como este, por que essas fibrilas não se separam? ", pergunta Osuji. O grupo reconheceu que o material era composto de algo semelhante a uma malha complexa de fios interconectados, ou fibras, mas com a importante distinção de que o espaço entre as fibras era explicitamente definido pela estrutura da molécula que a constituía. Eles perceberam que a "interconexão topológica" aparentemente aleatória da fibra mantinha a estrutura unida enquanto ainda permitia que a água fluísse.

p Usando esta nova abordagem "invertida", o grupo criou e testou membranas, trazendo ideias à vida combinando nanoestruturas exclusivas concebidas por Feng usando métodos de fabricação e caracterização desenvolvidos por Imran e Zhang. Zhang, que tem experiência na área de fabricação de membrana, juntou-se ao grupo logo depois que Osuji veio para Penn no outono passado, e Zhang desempenhou um papel fundamental na coleta de dados críticos de transporte.

p "Historicamente, a expertise do grupo tem sido a manipulação e caracterização da estrutura dos materiais, e não sabíamos como traduzir isso em uma membrana funcional real, "diz Imran." Tínhamos uma prova de conceito, mas levou algum tempo para torná-lo realidade, chegar a um ponto que tanto a comunidade de membrana quanto a comunidade de materiais possam apreciar. "

p O material, semelhante em composição aos polímeros usados ​​anteriormente em lentes de contato rígidas, também foi projetado com ligações cruzadas entre fibras individuais para adicionar suporte ao material. O polímero também inclui estruturas químicas que dão ao filtro propriedades antimicrobianas, o que significa que o material não ficará obstruído por bactérias durante a purificação da água.

p O grupo agora está estudando novos processos para fazer o material de forma que possa ser fino o suficiente para caber no fluxo de trabalho de nanofiltração existente. Eles também consideram essa abordagem útil para aplicações futuras além da filtragem de água. "No fim do dia, este é um material poroso precisamente estruturado com química de superfície versátil, então você pode imaginar muitas aplicações, "diz Imran." Pode ser uma membrana em uma célula de combustível ou em uma bateria. "

p Para Zhang, o impacto de seu último estudo vem do que aprenderam sobre o próprio material no processo de caracterizá-lo. "Esta é uma nova nanoestrutura para membranas, e é emocionante tê-lo proposto e demonstrado sua utilidade. Também é empolgante porque a estrutura pode ser aproveitada em aplicações além da nanofiltração, " ele diz.

p Osuji também está ansioso para ver como é único, abordagem invertida pode ser usada no futuro. "Na primeira inspeção, é a ideia inesperada de que você pode fazer membranas usando esse tipo de abordagem. Depois de entender isso, você pode apenas mudar a química, direcionar aplicativos diferentes, então espero que outros sigam essa abordagem, " ele diz.

p Em termos de purificação de água, Osuji espera que a nanofiltração seja mais amplamente adotada como uma forma de remover produtos químicos prejudiciais sem os custos associados a outras técnicas. "A osmose reversa é altamente desenvolvida e muito eficiente na remoção de todos, exceto os contaminantes mais desafiadores, mas há lugares onde não é rentável, como no tratamento de água salobra, tratamento de águas residuais industriais antes da descarga, ou amaciamento da água. Existe a possibilidade de empurrar essas novas membranas para esses regimes, " ele diz.