Gli ingegneri dell'Università dell'Illinois hanno trovato un materiale efficiente dal punto di vista energetico per rimuovere il sale dall'acqua di mare che potrebbe fornire una confutazione al lamento del poeta Samuel Taylor Coleridge, "Acqua, acqua, da tutte le parti, né una goccia da bere».

Il materiale, un foglio nanometrico di bisolfuro di molibdeno (MoS2) crivellato di minuscoli fori chiamati nanopori, è appositamente progettato per far passare grandi volumi d'acqua ma tenere fuori il sale e altri contaminanti, un processo chiamato desalinizzazione. In uno studio pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , il team dell'Illinois ha modellato varie membrane a film sottile e ha scoperto che MoS2 ha mostrato la massima efficienza, filtrando fino al 70% in più di acqua rispetto alle membrane di grafene.

"Anche se abbiamo molta acqua su questo pianeta, c'è ben poco di bevibile, " ha detto il leader dello studio Narayana Aluru, un professore di scienze meccaniche e ingegneria presso l'Università di I. "Se potessimo trovare un basso costo, modo efficiente per purificare l'acqua di mare, faremmo passi da gigante nella soluzione della crisi idrica.

"Trovare materiali per una desalinizzazione efficiente è stato un grosso problema, e penso che questo lavoro getti le basi per i materiali di nuova generazione. Questi materiali sono efficienti in termini di consumo energetico e incrostazioni, che sono problemi che affliggono da molto tempo la tecnologia di desalinizzazione, " disse Aluru, che è anche affiliato con il Beckman Institute for Advanced Science and Technology presso l'U. of I.

La maggior parte delle tecnologie di desalinizzazione disponibili si basano su un processo chiamato osmosi inversa per spingere l'acqua di mare attraverso una sottile membrana di plastica per produrre acqua dolce. La membrana ha dei fori abbastanza piccoli da non far passare sale o sporco, ma abbastanza grande da lasciar passare l'acqua. Sono molto bravi a filtrare il sale, ma producono solo un filo d'acqua fresca. Sebbene sottile all'occhio, queste membrane sono ancora relativamente spesse per filtrare a livello molecolare, quindi è necessario applicare molta pressione per far passare l'acqua.

"L'osmosi inversa è un processo molto costoso, " Ha detto Aluru. "E 'molto energivoro. È necessaria molta potenza per eseguire questo processo, e non è molto efficiente. Inoltre, le membrane si guastano per intasamento. Quindi vorremmo renderlo più economico e rendere le membrane più efficienti in modo che non si guastino così spesso. Inoltre, non vogliamo dover usare molta pressione per ottenere un'elevata portata d'acqua".

Un modo per aumentare drasticamente il flusso d'acqua è rendere la membrana più sottile, poiché la forza richiesta è proporzionale allo spessore della membrana. I ricercatori hanno esaminato membrane sottili come il grafene. Però, il grafene presenta le sue sfide nel modo in cui interagisce con l'acqua.

Il gruppo di Aluru ha precedentemente studiato i nanopori di MoS2 come piattaforma per il sequenziamento del DNA e ha deciso di esplorarne le proprietà per la desalinizzazione dell'acqua. Utilizzando il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications presso l'U. of I., hanno scoperto che un foglio monostrato di MoS2 ha superato i suoi concorrenti grazie a una combinazione di sottigliezza, geometria dei pori e proprietà chimiche.

Una molecola MoS2 ha un atomo di molibdeno racchiuso tra due atomi di zolfo. Un foglio di MoS2, poi, ha un rivestimento di zolfo su entrambi i lati con il molibdeno al centro. I ricercatori hanno scoperto che la creazione di un poro nel foglio che lasciava un anello esposto di molibdeno attorno al centro del poro creava una forma simile a un ugello che attirava l'acqua attraverso il poro.

"MoS2 ha vantaggi intrinseci in quanto il molibdeno al centro attira l'acqua, poi lo zolfo dall'altra parte lo spinge via, quindi abbiamo un tasso d'acqua molto più alto che passa attraverso il poro, " ha detto lo studente laureato Mohammad Heiranian, il primo autore dello studio. "È inerente alla chimica di MoS2 e alla geometria dei pori, quindi non dobbiamo funzionalizzare il poro, che è un processo molto complesso con il grafene."

Oltre alle proprietà chimiche, i fogli monostrato di MoS2 hanno i vantaggi della sottigliezza, richiedono molta meno energia, che a sua volta riduce drasticamente i costi operativi. MoS2 è anche un materiale robusto, quindi anche una lastra così sottile è in grado di resistere alle pressioni e ai volumi d'acqua necessari.

I ricercatori dell'Illinois stanno instaurando collaborazioni per testare sperimentalmente MoS2 per la desalinizzazione dell'acqua e per testare il suo tasso di incrostazione, o ostruzione dei pori, un grosso problema per le membrane di plastica. MoS2 è un materiale relativamente nuovo, ma i ricercatori ritengono che le tecniche di produzione miglioreranno man mano che le sue elevate prestazioni diventeranno più ricercate per varie applicazioni.

"La nanotecnologia potrebbe svolgere un ruolo importante nel ridurre il costo degli impianti di desalinizzazione e nel renderli efficienti dal punto di vista energetico, " disse Amir Barati Farimani, che ha lavorato allo studio come studente laureato in Illinois e ora è un borsista post-dottorato alla Stanford University. "Sono in California ora, e si parla molto della siccità e di come affrontarla. Sono molto fiducioso che questo lavoro possa aiutare i progettisti di impianti di desalinizzazione. Questo tipo di membrana sottile può aumentare il ritorno sull'investimento perché è molto più efficiente dal punto di vista energetico".