I canali d'acqua su scala nanometrica che la natura ha evoluto per trasportare rapidamente le molecole d'acqua dentro e fuori le cellule potrebbero ispirare nuovi materiali per ripulire la produzione chimica e farmaceutica. I ricercatori KAUST hanno adattato la struttura degli strati di ossido di grafene per imitare la forma a clessidra di questi canali biologici, creando membrane ultrasottili per separare rapidamente miscele chimiche.

"Nella produzione di prodotti farmaceutici e altri prodotti chimici, separare miscele di molecole organiche è un compito essenziale e noioso, "dice Shaofei Wang, ricercatore post-dottorato nel laboratorio Suzana Nuñes della KAUST. Un'opzione per rendere queste separazioni chimiche più veloci ed efficienti è attraverso membrane selettivamente permeabili, che dispongono di canali su scala nanometrica che separano le molecole in base alle dimensioni.

Ma queste membrane in genere soffrono di un compromesso noto come compromesso permeanza-rifiuto. Ciò significa che i canali stretti possono separare efficacemente le molecole di diverse dimensioni, ma hanno anche un flusso di solvente inaccettabilmente basso attraverso la membrana, e viceversa:scorrono abbastanza velocemente, ma si comportano male alla separazione.

Nune, Wang e il team si sono ispirati alla natura per superare questo limite. Le acquaporine hanno un canale a forma di clessidra:largo a ciascuna estremità e stretto nella sezione centrale idrofoba. Questa struttura combina un'elevata permeabilità del solvente con un'elevata selettività. Migliorare la natura, il team ha creato canali che si allargano e si restringono in una membrana sintetica.

La membrana è costituita da scaglie di un nanomateriale di carbonio bidimensionale chiamato ossido di grafene. I fiocchi sono combinati in fogli spessi diversi strati con ossido di grafene. Le molecole di solventi organici sono abbastanza piccole da passare attraverso gli stretti canali tra i fiocchi per attraversare la membrana, ma le molecole organiche disciolte nel solvente sono troppo grandi per seguire lo stesso percorso. Le molecole possono quindi essere separate dal solvente.

Per aumentare il flusso di solvente senza compromettere la selettività, il team ha introdotto distanziatori tra gli strati di ossido di grafene per allargare le sezioni del canale, imitando la struttura dell'acquaporina. I distanziatori sono stati formati aggiungendo nei canali una molecola a base di silicio che, quando trattato con idrossido di sodio, reagito in situ formano nanoparticelle di biossido di silicio. "Le nanoparticelle idrofile allargano localmente i canali interstrato per migliorare la permeabilità del solvente, "Spiega Wang.

Quando il team ha testato le prestazioni della membrana con soluzioni di coloranti organici, hanno scoperto che rifiutava almeno il 90% delle molecole di colorante al di sopra di una dimensione soglia di 1,5 nanometri. Incorporando le nanoparticelle, la permeabilità del solvente migliora di 10 volte, senza pregiudicare la selettività. Il team ha anche scoperto che c'era una maggiore resistenza e longevità della membrana quando si formavano legami incrociati chimici tra i fogli di ossido di grafene e le nanoparticelle.

"Il prossimo passo sarà formulare il materiale nanoparticellare-ossido di grafene in membrane a fibra cava adatte per applicazioni industriali, "dice Nunes.