Membrană inovatoare cu „canale moleculare” dinamice: transport de apă mai rapid și separare de zece ori mai precisă
Cercetătorii din domeniul ingineriei chimice au dezvoltat o tehnologie de membrană care permite moleculelor să traverseze structura mult mai eficient, fără a compromite precizia separării. Rezultatele, publicate în revista Science, ar putea îmbunătăți eficiența și sustenabilitatea unor procese industriale mari consumatoare de energie, de la purificarea substanțelor chimice și recuperarea resurselor valoroase până la producția de combustibili sustenabili.
Xiwang Zhang, inginer chimist și director al unui centru de cercetare pentru inovare în inginerie sustenabilă, a explicat că descoperirea rezolvă o problemă de lungă durată în domeniul membranelor. Industria are nevoie de membrane capabile să proceseze volume mari de materiale rapid, permițând totodată trecerea doar a moleculelor dorite. Însă cu cât moleculele se deplasează mai repede prin membrană, cu atât separarea precisă devine mai dificilă. Depășirea acestui compromis între viteză și precizie a fost una dintre cele mai mari provocări din știința membranelor.
Ioni auto-rotitori în canale de sub un nanometru
Pentru a aborda problema, cercetătorii au analizat interiorul membranei, concentrându-se asupra unor canale minuscule, cu lățime mai mică de un nanometru, de aproximativ 100.000 de ori mai subțiri decât un fir de păr uman. Potrivit lui Zhang, aceste canale funcționează ca niște „autostrăzi moleculare” și reprezintă o componentă crucială a tehnologiei, dar prezintă frecvent bariere de frecare și adeziune. Redesignul acestor structuri este foarte dificil, astfel că echipa a formulat o întrebare simplă: în loc să modifice doar dimensiunea sau chimia canalelor, ar putea să le facă dinamice pentru a ajuta moleculele să se miște mai repede?
Introducerea ionilor de amoniu auto-rotitori în nanocanale a îmbunătățit dramatic transportul molecular. Mobilitatea naturală a particulelor de amoniu a transformat un canal rigid și static într-un mediu de transport dinamic, care favorizează un transfer mai bun de energie și o mișcare eficientă. Zhang a comparat moleculele auto-rotitoare cu o barieră rotativă care reglează cu precizie traficul molecular, menținând în același timp viteza. Practic, spun cercetătorii, autostrăzile au fost modernizate astfel încât să ofere simultan viteză și selectivitate.
Separare de zece ori mai precisă în experimente
În experimentele de separare a etanolului de apă, cercetătorii au demonstrat o îmbunătățire de zece ori a preciziei de separare față de o membrană de filtrare standard. Noua membrană a crescut transportul de apă cu aproximativ 44% și a redus transportul de etanol cu 90%. Următorul pas este transpunerea tehnologiei în aplicații practice, inclusiv separări industriale eficiente energetic, recuperarea resurselor, utilizarea CO₂ și protecția mediului.
