Un team multidisciplinare di ingegneri e scienziati ha sviluppato una nuova classe di membrane filtranti per una varietà di applicazioni, dalla purificazione dell'acqua alle separazioni di piccole molecole ai processi di rimozione dei contaminanti, che sono più veloci da produrre e più performanti rispetto alla tecnologia attuale. Ciò potrebbe ridurre il consumo di energia, costi operativi e tempi di produzione nelle separazioni industriali.

Guidati da Manish Kumar, professore associato presso la Cockrell School of Engineering presso l'Università del Texas ad Austin, il team di ricerca descrive le loro nuove membrane ad alte prestazioni in un recente numero di Materiali della natura .

Le nuove membrane di filtrazione del team dimostrano una maggiore densità di pori rispetto a quella delle membrane commerciali e possono essere prodotte molto più velocemente, in due ore, rispetto al processo di più giorni attualmente utilizzato. Fino ad ora, l'integrazione di membrane a base di proteine ​​nella tecnologia attuale utilizzata per le separazioni industriali è stata impegnativa a causa della quantità di tempo necessaria per creare queste membrane e della bassa densità di proteine ​​nelle membrane risultanti.

Questo sforzo di ricerca globale e collaborativo ha riunito ingegneri, fisici, biologi e chimici di UT Austin, Penn State University, Università del Kentucky, Università di Notre Dame e la società Applied Biomimetic. Il lavoro presenta la prima sintesi end-to-end di una vera membrana di separazione a base di proteine ​​con pori di dimensioni comprese tra mezzo nanometro e 1,5 nanometri. Un nanometro è solo poche volte la dimensione di una molecola d'acqua e centomila volte più piccola della larghezza di un capello umano.

Le membrane create dal team sono biomimetiche, nel senso che imitano sistemi o elementi della natura, e imitare quelli che si trovano naturalmente nelle membrane cellulari per il trasporto di acqua e sostanze nutritive. Recentemente hanno pubblicato un altro documento che evidenzia l'ispirazione per il loro metodo. L'imballaggio ad alta densità di questi canali proteici in fogli polimerici forma pori proteici all'interno della membrana, simili a quelli visti nelle lenti dell'occhio umano, ma all'interno di un ambiente polimerico non biologico.

Il team ha fabbricato tre diverse membrane biomimetiche che hanno dimostrato un forte, selettività unica e sintonizzabile con tre diverse dimensioni dei pori dei canali proteici di membrana. I metodi descritti possono essere adattati con l'inserimento di canali proteici di diverse dimensioni dei pori o chimiche in matrici polimeriche per condurre separazioni appositamente progettate.

"Nel passato, i tentativi di realizzare membrane biomimetiche sono stati ben lontani dalla promessa di questi materiali, dimostrando solo due o tre volte il miglioramento della produttività, " disse Yu-Ming Tu, uno studente di dottorato in ingegneria chimica dell'UT Austin e responsabile del progetto. "Il nostro lavoro mostra un sorprendente 20 a 1, 000 volte miglioramento della produttività rispetto alle membrane commerciali. Allo stesso tempo, possiamo ottenere una separazione simile o migliore di piccole molecole, come zuccheri e amminoacidi, da molecole più grandi, come gli antibiotici, proteine ​​e virus”.

Questa elevata produttività è stata resa possibile dall'altissima densità di proteine ​​dei pori. Circa 45 trilioni di proteine ​​possono adattarsi alla membrana, se fosse delle dimensioni di un quartiere americano; le membrane create erano 10-20 volte più grandi nell'area. Questa densità dei pori è da 10 a 100 volte superiore rispetto alle membrane di filtrazione convenzionali con pori di dimensioni nanometriche simili. Inoltre, tutti i pori di queste membrane hanno esattamente le stesse dimensioni e forma, permettendo loro di trattenere meglio le molecole delle dimensioni desiderate.

"Questa è la prima volta che la promessa delle membrane biomimetiche che coinvolgono le proteine ​​di membrana è stata tradotta dalla scala molecolare a prestazioni elevate su scala di membrana, " Kumar ha detto. "Per così tanto tempo, ingegneri e scienziati hanno cercato di trovare soluzioni ai problemi solo per scoprire che la natura lo ha già fatto e lo ha fatto meglio. I prossimi passi sono vedere se possiamo fabbricare membrane ancora più grandi e testare se possono essere confezionate in fogli piatti e moduli a spirale come quelli comuni nell'industria".