Mais poros em uma peneira permitem que mais líquido flua através dela? Como os cientistas de materiais descobriram, essa pergunta aparentemente simples pode ter uma resposta inesperada em nanoescala – e pode ter implicações importantes no desenvolvimento de filtragem de água, armazenamento de energia e produção de hidrogênio.
Pesquisadores da UNSW Sydney, da Universidade de Duisburg-Essen (Alemanha), GANIL (França) e do Instituto Tecnológico Toyota (Japão) experimentando membranas de Óxido de Grafeno (GO) descobriram que o oposto pode ocorrer no nível nanoscópico. A pesquisa, publicada em Nano Letters , mostra que o ambiente químico da peneira e a tensão superficial do líquido desempenham um papel surpreendentemente importante na permeabilidade.

Os pesquisadores observaram que uma densidade de poros não necessariamente leva a uma maior permeabilidade à água – em outras palavras, ter mais orifícios minúsculos nem sempre permite que a água flua em nanoescala. O estudo, apoiado pelo financiamento da União Europeia e da Fundação de Pesquisa Humboldt, lança uma nova luz sobre os mecanismos que governam o fluxo de água através das membranas GO.

"Se você cria mais e mais buracos em uma peneira, espera que ela se torne mais permeável à água. Mas, surpreendentemente, isso é o oposto do que aconteceu em nossos experimentos com membranas de óxido de grafeno", diz o professor associado Rakesh Joshi, autor sênior do o estudo da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais, UNSW Science.

Alterando o ambiente químico

GO é uma forma extremamente fina de carbono que se mostrou promissora como material para purificação de água. O composto químico é constituído por uma única camada de átomos de carbono com átomos de oxigênio e hidrogênio ligados. Se você imaginar espalhando peças de LEGO em seu chão - o chão seria os átomos de carbono e os átomos de oxigênio e hidrogênio seriam as peças de LEGO.

Em química, as moléculas podem ter o que é conhecido como "grupos funcionais" que são hidrofóbicos (repelem a água) ou hidrofílicos (atraem a água). Os poros do grafeno também podem ser hidrofóbicos ou hidrofílicos.

"Surpreendentemente, mais importante para o fluxo de água (fluxo de água através de uma membrana) não é o número de poros, mas se os poros são hidrofóbicos ou hidrofílicos", diz Tobias Foller, UNSW Scientia Ph.D. candidato e principal autor do estudo. "Isso é muito inesperado, pois as camadas de GO têm apenas um átomo de espessura. Espera-se que a água passe apenas pelos poros, não importa se eles atraem ou repelem a água."

Apesar da presença de muitos orifícios minúsculos nos filtros GO usados ​​na pesquisa, eles exibiram um bloqueio completo de água no caso de poros hidrofóbicos.

"Com filtros, você geralmente espera mais fluxo de água com mais orifícios. Mas no nosso caso, onde temos mais orifícios, o fluxo de água é menor, e isso se deve à natureza química dos orifícios de óxido de grafeno que são repelentes à água. ", diz a Prof. Marika Schleberger, co-autora do estudo de Duisburg, Alemanha.

Efeitos incomuns da tensão superficial

Os pesquisadores também dizem que a tensão superficial também contribui para a interação da água com os poros do GO. A tensão superficial surge porque as moléculas, como a água, querem ficar juntas. Quando confinados em um espaço suficientemente pequeno, as ligações entre a água (coesão) e as superfícies sólidas circundantes (força adesiva) podem agir para mover a água. Isso explica como as árvores podem superar a gravidade para levar água de suas raízes, pelos capilares, até as folhas.

Nas membranas GO - onde os "capilares" neste caso são poros feitos na escala de 1 milionésimo de milímetro ou menos - as próprias forças que permitem que a água suba pelos capilares das árvores impedem que ela flua através dos poros da membrana.

"When you confine water in the smallest possible capillaries—just the size of a few atoms—the water molecules attract themselves so much they form a tight network. Undisturbed, this network is so strong that it doesn't allow the molecules to be released and pass through the sieve, even if you increase the number of pores," says Mr. Foller.

Ultrafine sieves made of different materials have a diverse range of applications. The researchers say their findings will help scientists fine-tune liquid transport in atomic sieves and could advance developments like highly precise water filtration systems.

"By understanding which parameters will increase or decreases water flux, we can optimize many possible applications of graphene oxide for water purification, energy storage, hydrogen production and more," Mr. Foller says. "We hope other engineers and scientists can use this new knowledge to improve their own devices, and lead to new developments in the future." + Explorar mais

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