Os pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) descobriram que os poros da membrana de nanotubos de carbono poderiam permitir processos de diálise ultrarrápidos que reduziriam muito o tempo de tratamento para pacientes em hemodiálise.

A capacidade de separar constituintes moleculares em soluções complexas é crucial para muitos processos biológicos e artificiais. Uma maneira é através da aplicação de um gradiente de concentração através de uma membrana porosa. Isso leva íons ou moléculas menores que o diâmetro dos poros de um lado a outro da membrana, enquanto bloqueia qualquer coisa que seja grande demais para passar pelos poros.

Na natureza, membranas biológicas, como as do rim ou do fígado, podem realizar filtrações complexas enquanto mantêm um alto rendimento. Membranas sintéticas, Contudo, muitas vezes lutam com um trade-off bem conhecido entre seletividade e permeabilidade. As mesmas propriedades do material que ditam o que pode ou não passar pela membrana reduzem inevitavelmente a taxa de filtração.

Em uma descoberta surpreendente publicada na revista Ciência Avançada , Os pesquisadores do LLNL descobriram que os poros de nanotubos de carbono (cilindros de grafite com diâmetros milhares de vezes menores que um cabelo humano) podem fornecer uma solução para a permeabilidade vs. seletividade. Ao usar um gradiente de concentração como força motriz, pequenos íons, como potássio, cloreto e sódio, foram encontrados para se difundir através desses minúsculos poros mais do que uma ordem de magnitude mais rápido do que quando se movem em solução a granel.

"Este resultado foi inesperado porque o consenso geral na literatura é que as taxas de difusão em poros com este diâmetro devem ser iguais a, ou abaixo do que vemos em massa, "disse Steven Buchsbaum, autor principal do artigo.

"Nossa descoberta enriquece o número de fenômenos nanofluídicos excitantes e muitas vezes mal compreendidos recentemente descobertos em confinamento de poucos nanômetros, "acrescentou Francesco Fornasiero, o investigador principal do projeto.

A equipe acredita que este trabalho tem implicações significativas em várias áreas de tecnologia. Membranas que empregam nanotubos de carbono como canais de transporte podem permitir processos de hemodiálise ultrarrápidos que reduziriam muito o tempo de tratamento. De forma similar, o custo e o tempo para purificar proteínas e outras biomoléculas, bem como recuperar produtos valiosos de soluções eletrolíticas, poderiam ser drasticamente reduzidos. O transporte de íons aprimorado em pequenos poros grafíticos pode permitir supercapacitores com alta densidade de potência, mesmo em tamanhos de poro próximos aos dos íons.

Para realizar esses estudos, a equipe aproveitou membranas desenvolvidas anteriormente que permitem que o transporte ocorra apenas através do interior oco de nanotubos de carbono alinhados com alguns diâmetros nanométricos. Usando uma célula de difusão personalizada, um gradiente de concentração foi aplicado através dessas membranas e a taxa de transporte de vários sais e água foi medida. "Desenvolvemos testes de controle rigorosos para garantir que não houvesse outra explicação possível para os grandes fluxos de íons registrados, como o transporte que ocorre por meio de vazamentos ou defeitos em nossas membranas, "Buchsbaum disse.

Para entender melhor por que esse comportamento ocorre, a equipe contou com a ajuda de vários especialistas do LLNL. Anh Pham e Ed Lau usaram simulações computacionais e April Sawvel usou espectroscopia de ressonância magnética nuclear para estudar o movimento dos íons dentro dos nanotubos de carbono. Várias explicações possíveis foram descartadas com sucesso, tornando a imagem mais clara. Contudo, uma completa, a compreensão quantitativa das taxas de transporte observadas ainda está sendo desenvolvida.