La nuova classe di membrane potrebbe essere utilizzata con successo nella separazione. Credito:autori dello studio
Una nuova classe di membrane promette applicazioni molto interessanti nella separazione dei materiali, sia nella biotecnologia che nella purificazione dell'acqua. La comprensione teorica di queste membrane polimeriche è, però, ancora incompleto. Due ricercatori di Helmholtz-Zentrum Hereon e dell'Università di Göttingen presentano ora uno studio, pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Recensioni chimiche , che identifica queste lacune nella conoscenza e mostra approcci promettenti per risolverle.
Sia nella desalinizzazione, depurazione acqua o CO 2 separazione, le membrane giocano un ruolo centrale nella tecnologia. L'Helmholtz-Zentrum Hereon sta lavorando da diversi anni su una nuova variante:è costituita da polimeri speciali che formano pori della stessa dimensione su scala nanometrica. I materiali da separare, come alcune proteine, può letteralmente scivolare attraverso questi pori. Poiché questi strati di separazione sono molto sottili e quindi molto fragili, sono legati ad una struttura spugnosa con pori molto più grossolani, conferendo alla struttura la necessaria stabilità meccanica.
"Un aspetto speciale è che queste strutture si formano in un atto di autorganizzazione, "dice il prof. Volker Abetz, direttore del Hereon Institute of Membrane Research e professore di chimica fisica all'Università di Amburgo. "In contrasto con membrane comparabili, che sono parzialmente prodotti attraverso un processo complesso che utilizza acceleratori di particelle, ciò promette una produzione relativamente economica." Poiché le membrane polimeriche combinano un'elevata produttività con una forte selettività di separazione, potrebbero essere interessanti in futuro per la biotecnologia e la produzione farmaceutica, ma anche nel trattamento delle acque reflue, come ad es. per filtrare i coloranti indesiderati.
Progressi attraverso simulazioni al computer
Negli ultimi anni gli esperti hanno compiuto notevoli progressi nello sviluppo di queste nuove membrane. Però, per adattarli ad applicazioni specifiche, manca ancora una comprensione teorica completa. "Finora, ci sono stati un sacco di tentativi ed errori così come l'istinto coinvolto, ", afferma Abetz. "Ora dovrebbe trattarsi di comprendere fondamentalmente questi sistemi il più possibile." Per questo motivo, Marcus Muller, professore di fisica teorica presso l'Università di Göttingen e Volker Abetz hanno pubblicato un articolo di revisione sulla rivista scientifica Recensioni chimiche . Il lavoro riassume lo stato attuale delle conoscenze nel campo delle membrane polimeriche e identifica gli approcci di ricerca più promettenti che possono colmare le lacune esistenti nelle conoscenze.
Le simulazioni al computer svolgono qui un ruolo importante:possono essere utilizzate per modellare digitalmente in dettaglio ciò che accade durante il processo di produzione. "Il problema è che questi processi sono estremamente complessi, e abbiamo a che fare con tempi e tempistiche completamente diverse, " spiega Müller. "E non siamo ancora stati in grado di coprire tutte queste scale con un'unica descrizione". però, modelli informatici in grado di simulare aspetti individuali. Mentre alcuni di questi modelli descrivono il comportamento delle singole molecole polimeriche, altri riproducono la membrana su una griglia molto più grossolana. Questi diversi approcci sono stati finora collegati solo in modo piuttosto debole, e anche descrivere la sequenza temporale dei vari processi rappresenta una sfida. Per una comprensione più profonda, sarebbe utile se i modelli fossero meglio interconnessi di quanto non lo siano ora.
Membrane polimeriche dal tavolo da disegno
"La produzione di membrane polimeriche può essere paragonata a fare un soufflé, " dice Müller. "Entrambi mirano a stabilizzare i piccoli pori che contano, prima che l'intera cosa crolli di nuovo." Uno degli aspetti che non è chiaro è come e se la formazione simultanea dello strato di separazione e dello strato di supporto si influenzano a vicenda e come questo può essere controllato. Un'altra domanda riguarda come i pori possono essere disposti e allineati in modo tale da consentire la massima portata possibile attraverso la membrana, un criterio decisivo per la redditività della membrana. "Fortunatamente, sia i computer che i modelli stanno migliorando sempre di più, e ciò dovrebbe facilitare notevoli progressi, " aggiunge Müller. "Possiamo accedere al supercomputer JUWELS a Jülich, che è uno dei più veloci al mondo." Gli algoritmi di apprendimento automatico potrebbero anche aiutare in futuro; qui potrebbe esserci del potenziale da scoprire.
Non è necessaria solo la teoria, però. C'è anche del lavoro da fare negli esperimenti. "Un grande sconosciuto, Per esempio, è l'umidità, " spiega Abetz. "Sappiamo che può influenzare in modo decisivo la formazione di una membrana polimerica. Ma per capire meglio questa influenza, abbiamo bisogno di test sistematici." Se ostacoli come questi possono essere superati, avvicinerà un po' l'obiettivo della ricerca a lungo termine:"Il nostro sogno è progettare e ottimizzare una membrana polimerica per un'applicazione specifica come "gemello digitale" prima sul computer in modo che possa essere successivamente prodotta in modo mirato in il laboratorio, " dice Abetz. "E forse potremmo anche scoprire strutture completamente nuove sul computer, quelli che non avremmo mai incontrato nell'esperimento.
