Ispirato dalle membrane nei tessuti corporei degli organismi viventi, gli scienziati hanno combinato le nanofibre di aramide utilizzate nel Kevlar con il nitruro di boro per costruire una membrana per la raccolta dell'energia oceanica che sia forte come l'osso e adatta al trasporto di ioni come la cartilagine. La ricerca, pubblicato il 18 dicembre sulla rivista Joule, supera le principali sfide progettuali per le tecnologie che sfruttano l'energia osmotica (differenze di gradiente di pressione e salinità tra acqua dolce e acqua oceanica) per generare una forma di energia rinnovabile ecologica e ampiamente disponibile.

I generatori di energia osmotica variano meno da un giorno all'altro rispetto ai parchi solari ed eolici, rendendoli più affidabili di questi prodotti di base dell'energia verde. Però, l'argilla, ossido di grafene, MXene, e i nanomateriali di bisolfuro di molibdeno comunemente usati nelle membrane tendono a collassare e disintegrarsi in acqua.

Mentre i nanofogli realizzati con nitruro di boro hanno recentemente mostrato risultati promettenti, rimanendo stabile all'aumentare della temperatura e non reagendo facilmente con altre sostanze, le membrane fatte da solo nitruro di boro non sono abbastanza resistenti da resistere all'acqua per lungo tempo, iniziano rapidamente a perdere ioni mentre sviluppano crepe microscopiche.

"Nuove membrane composite avanzate in nitruro di boro con proprietà nuove e robuste risolveranno questo problema, che ora è molto richiesto, "dice Weiwei Lei, lo scienziato capo di questo progetto in Australia, un ricercatore senior presso l'Institute for Frontier Materials (IFM) della Deakin University.

"L'energia osmotica rappresenta un'enorme risorsa per l'umanità, ma la sua implementazione è fortemente limitata dalla disponibilità delle membrane iono-selettive ad alte prestazioni, "dice Nicholas Kotov, lo scienziato capo negli Stati Uniti, professore di ingegneria all'Università del Michigan.

Lei, Kotov, e i loro colleghi hanno deciso di risolvere questo problema rivolgendosi ai tessuti delle creature viventi come un progetto, osservando che sono necessarie molte diverse varietà di membrane iono-selettive ad alte prestazioni per facilitare le reazioni biologiche nei loro corpi. Hanno notato che mentre i tessuti molli, come cartilagine, membrane renali, e membrane basali, permettere agli ioni di passare con facilità, sono deboli e fragili. In contrasto, le ossa sono eccezionalmente forti e rigide, ma senza il vantaggio di un trasporto ionico efficiente.

"Abbiamo trovato un modo per 'sposare' questi due tipi di materiali per ottenere entrambe le proprietà allo stesso tempo, utilizzando nanofibre di aramide che rendono i materiali fibrosi flessibili simili alla cartilagine e il nitruro di boro che rende le piastrine simili all'osso, " dice Kotov.

"Le nostre membrane nanocomposite di ispirazione bio presentano alcuni vantaggi come l'elevata robustezza, la facilità di fabbricazione e l'offerta di una maggiore multifunzionalità rispetto alle membrane realizzate con un unico materiale, "dice Lei.

I ricercatori hanno costruito la membrana ibrida utilizzando l'assemblaggio strato per strato, un metodo per ricreare compositi stratificati complessi che funziona particolarmente bene per le tecnologie dell'acqua. Hanno applicato pressione a un serbatoio della membrana di nitruro di aramide-boro in soluzione di cloruro di sodio per osservarne la corrente e l'hanno confrontata con altre membrane di nanomateriali, scoprendo che la ristrettezza dei suoi canali gli consente di attirare cationi di sodio e respingere gli anioni cloruro meglio di altri compositi porosi. Lei, Kotov, e colleghi hanno anche ripetutamente risciacquato la membrana in cloruro di sodio per venti cicli per monitorarne la stabilità, constatando che ha continuato a funzionare in modo ottimale dopo 200 ore.

"La nostra nuova membrana composita ha uno spessore regolabile e un'elevata stabilità a temperature comprese tra 0 e 95 gradi Celsius e a un pH compreso tra 2,8 e 10,8, "dice Lei.

"I componenti economici e la longevità della membrana rendono realistica la raccolta dell'energia oceanica, "dice Dan Liu, l'autore principale dell'articolo, anche a Deakin IFM.

Del tutto, i ricercatori hanno concluso che la membrana in nitruro di aramide-boro è adatta a resistere a un'ampia gamma di condizioni che si aspetterebbero di incontrare durante la generazione di energia osmotica. Ritengono inoltre che la tecnologia sia altamente scalabile, soprattutto perché entrambi i suoi componenti sono economici. Le nanofibre di aramide possono anche essere raccolte da tessuto di Kevlar scartato.

"Queste sono le membrane più performanti conosciute finora, " dice Kotov. "Tuttavia, non sono ancora completamente ottimizzati. Si possono potenzialmente ottenere prestazioni ancora migliori."