(PhysOrg.com) -- Molti futuristi immaginano un mondo in cui le membrane polimeriche con canali di dimensioni molecolari vengono utilizzate per catturare il carbonio, produrre combustibili a base solare, o desalinizzare l'acqua di mare, tra tante altre funzioni. Ciò richiederà metodi mediante i quali tali membrane possono essere facilmente fabbricate in grandi quantità. Una tecnica che rappresenta un primo passo significativo su questa strada è stata ora dimostrata con successo.

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti e dell'Università della California (UC) Berkeley hanno sviluppato un metodo basato su soluzioni per indurre l'autoassemblaggio di membrane polimeriche flessibili con canali subnanometrici altamente allineati. Completamente compatibile con i processi commerciali di fabbricazione delle membrane, si ritiene che questa nuova tecnica sia il primo esempio di nanotubi organici fabbricati in una membrana funzionale su distanze macroscopiche.

"Abbiamo utilizzato peptidi ciclici che formano nanotubi e copolimeri a blocchi per dimostrare una tecnica di co-assemblaggio diretto per la fabbricazione di membrane porose subnanometriche su distanze macroscopiche, "dice Ting Xu, uno scienziato dei polimeri che ha guidato questo progetto. "Questa tecnica dovrebbe consentirci di generare in futuro film sottili porosi in cui le dimensioni e la forma dei canali possono essere adattate alla struttura molecolare dei nanotubi organici".

Xu, che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e i dipartimenti di scienze e ingegneria dei materiali della University of California Berkeley, e chimica, è l'autore principale di un articolo che descrive questo lavoro, che è stato pubblicato sulla rivista ACS Nano . Il documento è intitolato "Film sottili porosi subnanometrici per co-assemblaggio di subunità di nanotubi e copolimeri a blocchi". La co-autrice dell'articolo con Xu era Nana Zhao, Feng Ren, Rami Orani, Ming Tsang Lee, Jessica Shu, Samuele Mao, e Brett Helms, chi è con la Fonderia Molecolare, un centro di nanoscienze DOE ospitato presso il Berkeley Lab.

Le membrane canalizzate sono una delle invenzioni più intelligenti e importanti della natura. Membrane perforate con canali subnanometrici rivestono l'esterno e l'interno di una cellula biologica, controllando – in virtù delle dimensioni – il trasporto di molecole e ioni essenziali in, attraverso, e fuori dalla cella. Questo stesso approccio ha un enorme potenziale per un'ampia gamma di tecnologie umane, ma la sfida è stata trovare un mezzo conveniente per orientare i canali subnanometrici allineati verticalmente su distanze macroscopiche su substrati flessibili.

"Ottenere il controllo a livello molecolare sulla dimensione dei pori, forma, e la chimica superficiale dei canali nelle membrane polimeriche è stata studiata in molte discipline ma è rimasta un collo di bottiglia critico, " Xu dice. "I film compositi sono stati fabbricati utilizzando nanotubi di carbonio preformati e il campo sta facendo rapidi progressi, però, rappresenta ancora una sfida orientare i nanotubi preformati normali alla superficie del film su distanze macroscopiche".

Per i loro canali subnanometrici, Xu e il suo gruppo di ricerca hanno utilizzato i nanotubi organici formati naturalmente da peptidi ciclici - catene proteiche polipeptidiche che si collegano alle due estremità per formare un cerchio. A differenza dei nanotubi di carbonio preformati, questi nanotubi organici sono "reversibili, " il che significa che le loro dimensioni e il loro orientamento possono essere facilmente modificati durante il processo di fabbricazione. Per la membrana, Xu e i suoi collaboratori hanno utilizzato copolimeri a blocchi - lunghe sequenze o "blocchi" di un tipo di molecola monomerica legati a blocchi di un altro tipo di molecola monomerica. Proprio come i peptidi ciclici si autoassemblano in nanotubi, i copolimeri a blocchi si autoassemblano in array ben definiti di nanostrutture su distanze macroscopiche. Un polimero legato covalentemente al peptide ciclico è stato utilizzato come "mediatore" per legare insieme questi due sistemi autoassemblanti

"Il coniugato polimerico è la chiave, " Xu dice. "Controlla l'interfaccia tra i peptidi ciclici ei copolimeri a blocchi e sincronizza il loro autoassemblaggio. Il risultato è che i canali dei nanotubi crescono solo all'interno della struttura della membrana polimerica. Quando puoi far funzionare tutto insieme in questo modo, il processo diventa davvero molto semplice."

Xu e i suoi colleghi sono stati in grado di fabbricare membrane porose subnanometriche di diversi centimetri di diametro e dotate di matrici di canali ad alta densità. I canali sono stati testati tramite misurazioni del trasporto di gas di anidride carbonica e neopentano. Questi test hanno confermato che la permeabilità era maggiore per le molecole di anidride carbonica più piccole rispetto alle molecole più grandi di neopentano. Il prossimo passo sarà usare questa tecnica per realizzare membrane più spesse.

"Teoricamente, non ci sono limiti di dimensioni per la nostra tecnica, quindi non dovrebbero esserci problemi nel realizzare membrane su un'ampia area, " Xu dice. "Siamo entusiasti perché crediamo che questo dimostri la fattibilità della sincronizzazione di più processi di autoassemblaggio adattando le interazioni secondarie tra i singoli componenti. Il nostro lavoro apre una nuova strada per raggiungere contemporaneamente strutture gerarchiche in un sistema multicomponente, che a sua volta dovrebbe aiutare a superare il collo di bottiglia per ottenere materiali funzionali utilizzando un approccio dal basso verso l'alto".