As membranas nanoporosas demonstraram ser ferramentas valiosas para filtrar impurezas da água e inúmeras outras aplicações. No entanto, ainda há muito trabalho a ser feito para aperfeiçoar seus designs. Recentemente, o laboratório do Prof. Amir Haji-Akbari demonstrou que exatamente onde os buracos nanométricos são colocados na membrana pode fazer uma grande diferença. Os resultados são publicados no ACS Nano .



Nos últimos anos, membranas nanoporosas feitas de grafeno, polímeros, silício e outros materiais têm sido utilizadas com sucesso para separação de gases, dessalinização de água, filtração de vírus, geração de energia, armazenamento de gás e distribuição de medicamentos. No entanto, criar membranas que permitem a passagem de todas as moléculas certas e, ao mesmo tempo, manter as indesejadas do lado de fora tem se mostrado complicado.

Para dessalinizar água, por exemplo, é crucial que a membrana tenha uma alta permeabilidade à água, ao mesmo tempo que bloqueia suficientemente pequenos solutos iônicos e moleculares e outras impurezas. Mas os investigadores descobriram que o aumento da permeabilidade de uma membrana muitas vezes compromete a sua selectividade, e vice-versa.

Uma abordagem promissora é otimizar a química e a geometria dos nanoporos isolados para alcançar a permeabilidade e seletividade desejadas, e colocar o maior número possível desses poros dentro de uma membrana nanoporosa. Exatamente como os poros vizinhos afetam uns aos outros, porém, não está claro.

Em nanoescala, as moléculas que interagem com as paredes dos poros podem exibir comportamentos que desafiam as teorias convencionais. O laboratório Haji-Akbari explorou se seria possível projetar sistemas de membrana inovadores com maior precisão e eficiência, ajustando os nanoporos.

Com simulações de computador, a equipe de pesquisa de Haji-Akbari descobriu que a proximidade em nanoescala entre os poros pode afetar negativamente a permeabilidade à água e a rejeição de sal. Especificamente, eles criaram simulações de membranas com padrões variados de colocação de poros, incluindo uma rede hexagonal e uma rede em favo de mel. O que descobriram foi que o padrão hexagonal, que permitia maior distância entre os poros, tinha um desempenho de permeabilidade/seletividade maior do que a membrana com padrão de favo de mel.

Esses efeitos divergem das teorias estabelecidas, disse Haji-Akbari.

"Esta suposição de que a resistência dos poros é independente da proximidade dos poros não é correta", disse Haji-Akbari, professor assistente de engenharia química e ambiental. "Claramente, depende da proximidade."

Suas descobertas mostram como esses efeitos aceleram os movimentos de certos íons através das membranas, enquanto causam a desaceleração de outros íons. Além disso, pode informar melhores designs de membranas nanoporosas para processos de separação aprimorados, como dessalinização de água e outras aplicações.

Mais informações: Brian A. Shoemaker et al, Correlações em Sistemas Multiporos Carregados:Implicações para Melhorar a Seletividade e Permeabilidade em Membranas Nanoporosas, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07489
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Universidade de Yale