Accurata preparazione del campione, la tomografia elettronica e l'analisi quantitativa dei modelli 3D forniscono informazioni uniche sulla struttura interna delle membrane ad osmosi inversa ampiamente utilizzate per la desalinizzazione dell'acqua salata, il riciclaggio delle acque reflue e l'uso domestico, secondo un team di ingegneri chimici.

Queste membrane ad osmosi inversa sono strati di materiale con uno strato attivo di poliammide aromatica che lascia passare le molecole d'acqua, ma filtra dal 99 al 99,9 percento del sale.

"Mentre gli stress idrici continuano a crescere, sono necessari migliori materiali di filtrazione a membrana per migliorare il recupero dell'acqua, prevenire le incrostazioni, ed estendere la durata dei moduli di filtrazione mantenendo costi ragionevoli per garantire l'accessibilità in tutto il mondo, "ha detto Enrique Gomez, professore di ingegneria chimica, Penn State. "Sapere che aspetto ha il materiale all'interno, e capire come questa microstruttura influenzi le proprietà di trasporto dell'acqua, è fondamentale per progettare membrane di nuova generazione con una vita operativa più lunga che possa funzionare in una serie diversificata di condizioni".

Gomez e il suo team hanno esaminato la struttura interna del film di poliammide utilizzando la tomografia con microscopia elettronica a trasmissione a scansione di campo oscuro anulare ad alto angolo (HAADF-STEM). L'intensità dell'immagine di HAADF-STEM è direttamente proporzionale alla densità del materiale, consentendo la mappatura del materiale a risoluzione su scala nanometrica.

"Abbiamo scoperto che la densità dello strato di poliammide non è omogenea, " ha detto Gomez. "Ma invece varia nel corso del film e, in questo caso, è più alto in superficie."

Questa scoperta cambia il modo in cui gli ingegneri pensano al modo in cui l'acqua si muove attraverso questo materiale, perché la resistenza al flusso non è omogenea ed è massima in corrispondenza della superficie della membrana.

HAADF-STEM ha permesso ai ricercatori di costruire modelli 3D della struttura interna della membrana. Con questi modelli, possono analizzare i componenti strutturali e determinare quali caratteristiche devono rimanere affinché la membrana funzioni e quali potrebbero essere manipolate per migliorare la longevità della membrana, anti impronta, e migliorare il recupero dell'acqua.

Un'altra caratteristica rivelata attraverso HAADF-STEM è stata la presenza, o meglio assenza, di vuoti chiusi precedentemente segnalati. I ricercatori pensavano che la struttura fine delle membrane avrebbe contenuto spazi vuoti chiusi che potrebbero intrappolare l'acqua e alterare i modelli di flusso. I modelli 3D mostrano che ci sono pochi vuoti chiusi nel materiale allo stato dell'arte studiato.

"Variazioni locali di porosità, la densità e l'area superficiale porteranno all'eterogeneità del flusso all'interno delle membrane, tale che connettendo la chimica, microstruttura e prestazioni delle membrane per osmosi inversa, ultrafiltrazione, filtrazione di virus e proteine, e le separazioni di gas richiederanno ricostruzioni 3D da tecniche come la tomografia elettronica, " riportano i ricercatori in un recente numero di Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

I ricercatori vorrebbero spingere la risoluzione di questa tecnica a una risoluzione inferiore a 1 nanometro.

"Non sappiamo se esistono pori sub nanometrici in questi materiali e vogliamo essere in grado di spingere le nostre tecniche per vedere se esistono questi canali, " ha detto Gomez. "Vogliamo anche mappare il modo in cui il flusso si muove attraverso questi materiali per collegare direttamente il modo in cui la microstruttura influisce sul flusso dell'acqua, marcando o colorando la membrana con composti speciali che possono fluire attraverso la membrana ed essere visualizzati al microscopio elettronico."