(Phys.org) — La modellazione computazionale ha fornito ai ricercatori sui materiali nuove informazioni sulle proprietà di una membrana che purifica l'acqua salata in acqua potabile. La tecnologia risultante potrebbe aiutare ad accelerare i processi di desalinizzazione inefficienti attualmente in uso.

I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory e del Rensselaer Polytechnic Institute hanno utilizzato simulazioni di supercomputer presso il Center for Computational Innovations di RPI per esplorare il potenziale di purificazione di un materiale ibrido chiamato framework di ossido di grafene, o GOF, introdotto per la prima volta nel 2010.

"Si tratta fondamentalmente di fogli di grafene ossidato collegati da specifici linker chimici provenienti da alcuni dei siti di ossidazione, " ha detto Bobby Sumpter di ORNL. "Poiché è composto principalmente da carbonio fortemente legato, non si decompone in acqua ed ha buone proprietà meccaniche. È un materiale entusiasmante con un potenziale per numerose applicazioni".

Inizialmente incuriosito dalle proprietà elettroniche sintonizzabili dei GOF, Vincent Meunier di Sumpter e RPI si resero presto conto che il materiale poteva essere utilizzato come membrana di desalinizzazione.

Impianti ad osmosi inversa, che costituiscono circa il 40% della capacità di dissalazione mondiale, generare acqua dolce applicando una pressione per forzare l'acqua salata attraverso una membrana semipermeabile.

"Un grosso problema per la desalinizzazione è la velocità:quanta acqua puoi far passare al giorno, " disse Meunier, il professore di fisica delle costellazioni Gail e Jeffrey L. Kodosky '70, Tecnologie dell'informazione, e Imprenditorialità presso RPI. "Puoi avere un ottimo materiale a membrana, ma se puoi trattare solo una tazza d'acqua al giorno, non sarà utile o conveniente".

Dopo aver sviluppato modelli computazionali per descrivere le interazioni tra gli atomi del materiale, Sumpter, Meunier e Adrien Nicolaï di RPI hanno deciso di calcolare la configurazione ideale per una membrana di desalinizzazione GOF. Hanno usato computer ad alte prestazioni per simulare come lo spessore dello strato, la densità dei pilastri di collegamento, e la pressione applicata influiscono sulle prestazioni del materiale.

"C'è un punto debole per la densità dei linker, " ha detto Meunier. "Se hai un'alta densità di linker, sarà super selettivo, ma lo rallenterà anche. Hai bisogno sia di selettività che di permeabilità."

Le simulazioni hanno rivelato che la messa a punto della struttura GOF si traduce nella capacità di rimuovere tutti gli ioni dall'acqua salata a una velocità molto più rapida, circa 100 volte più veloce dei materiali attualmente utilizzati come membrane ad osmosi inversa. L'uso di grafene idrorepellente come parte della membrana porosa contribuisce all'aumento delle prestazioni.

"L'acqua sta cercando di evitare il contatto con il grafene, quindi puoi progettarlo in modo tale da costringere l'acqua a non essere vicino a uno strato ma anche a non essere vicino all'altro, " Meunier ha detto. "Questo effetto crea canali, che dirigono l'acqua attraverso il sistema molto rapidamente."

Le simulazioni più recenti del team si sono concentrate sulla rimozione degli ioni di sale, ma i ricercatori fanno notare che il materiale GOF potrebbe essere utilizzato come membrane di filtrazione per altri contaminanti come i batteri. Poiché i GOF sono realizzati con abbondanti, materiali economici attraverso un processo di fabbricazione standard, i ricercatori ritengono inoltre che le membrane a base di GOF potrebbero contribuire a rendere la desalinizzazione più redditizia dal punto di vista economico.

"Crediamo che sia scalabile, che l'industria dell'ingegneria chimica potrebbe potenzialmente produrlo alla rinfusa, " ha detto Supper.

Gli ultimi risultati del team sono pubblicati sulla rivista come "Desalinazione dell'acqua regolabile attraverso membrane a struttura di ossido di grafene" Chimica Fisica Fisica Chimica . L'Office of Naval Research e l'Office of Science del Department of Energy hanno sostenuto la ricerca.

Sumpter aggiunge che il progetto del team esemplifica come le collaborazioni interdisciplinari, che combinano la scienza dei materiali, chimica fisica, la biofisica e la simulazione computazionale possono produrre risultati significativi.

"La comprensione in diverse discipline è fondamentale per consentire questi importanti esempi di scienza, " ha detto. "Questo è il vantaggio della nanoscienza, dove più campi si uniscono per risolvere un problema importante per la società".