Cresciuto in Cina negli anni '80, Baoxia Mi ha riconosciuto che l'acqua non era qualcosa da dare per scontato.

"Quando i miei genitori erano giovani, c'erano molti fiumi e piccoli laghi nella zona. Ma quando ero bambino, la maggior parte dei laghetti erano asciutti, " ha detto il professore di ingegneria civile e ambientale durante una recente pausa a Davis Hall, dove sta allestendo il suo nuovo laboratorio. "Ho sentito che l'ambiente si è deteriorato continuamente con il tempo mentre crescevo."

Quell'esperienza ha suscitato l'interesse di Mi per l'acqua e l'ambiente, un viaggio che l'ha portata dalla piccola città di Zhengding nella provincia nord-orientale dell'Hebei fino, più recentemente, al campus di Berkeley, dove è pioniere della ricerca in nuovi modi per purificare l'acqua e le acque reflue.

Mi, che si è iscritto alla facoltà del college la scorsa estate, sta sviluppando un nuovo tipo di membrana che potrebbe superare l'odierna tecnologia di filtrazione dell'acqua e consumare meno energia nel processo. Il suo design è costruito con ossido di grafene, un materiale a base di carbonio realizzato con grafite naturale, lo stesso materiale che si trova nelle matite.

Il grafene o l'ossido di grafene è spesso annunciato dagli scienziati come particolarmente promettente per l'uso in una serie di applicazioni legate all'ambiente, compreso lo stoccaggio di energia, produzione di idrogeno e rimozione dell'inquinamento atmosferico. Realizzato con un sottile strato di carbonio, il materiale è leggero ma resistente, e può condurre molto bene il calore e l'elettricità. È anche abbondante e poco costoso.

Mi afferma che le membrane realizzate con grafene o ossido di grafene possono rimuovere più efficacemente i contaminanti delle acque reflue, compresi i prodotti farmaceutici, patogeni e interferenti endocrini, rispetto ai metodi attuali e possono essere applicati al riutilizzo delle acque reflue, desalinizzazione dell'acqua e trattamento delle acque piovane.

Nel passato, gli scienziati hanno tentato di realizzare membrane di desalinizzazione utilizzando l'ossido di grafite. Ma quelle incursioni sono fallite, mi dice, a causa della struttura e delle dimensioni del materiale. "L'ossido grafico è una grande particella contenente numerosi strati di carbonio, quindi la membrana risultante è spessa, con un tasso di filtrazione dell'acqua molto basso", afferma.

In contrasto, il grafene e l'ossido di grafene sono materiali bidimensionali, e la struttura 2-D consente agli scienziati di impilare fogli di ossido di grafene insieme per creare membrane molto sottili. L'acqua può scorrere estremamente velocemente tra fogli di grafene impilati, Mi aggiunge, perché c'è poco attrito dalla sua struttura. L'aggiunta di ossigeno al grafene lo trasforma in ossido di grafene e apre più spazio nella struttura per il passaggio dell'acqua, lei dice.

Il problema di vecchia data con le membrane di ossido di grafene è che l'aggiunta di ossigeno aumenta le probabilità che il grafene si dissolva in acqua.

Ma quando Mi è stato in grado di far aderire una sostanza chimica ai fogli di ossido di grafene per "incollarli" insieme, la membrana è rimasta intatta nell'acqua. I risultati di questa svolta sono stati pubblicati in una rivista accademica del 2013.

Lo sviluppo di una nuova applicazione per l'ossido di grafene è il culmine dell'attenzione quasi univoca di Mi su come funzionano le membrane di filtraggio dell'acqua, una ricerca iniziata oltre 15 anni fa durante il suo ultimo anno di college all'Università di Tianjin. Durante quell'anno, è stata esposta per la prima volta ai sistemi di filtrazione a membrana mentre conduceva ricerche di laboratorio con un professore.

Come studente di dottorato presso l'Università dell'Illinois-Urbana Champaign, ha concluso la sua carriera da studentessa con una tesi sull'uso delle membrane per la rimozione dell'arsenico. Quindi, dopo un post-dottorato a Yale (dove si è concentrata sull'osmosi in avanti) e aver assunto una posizione di facoltà presso la George Washington University, è arrivata all'Università del Maryland, dove ha iniziato la sua ricerca sull'ossido di grafene.

Mi—che ha tenuto un corso a Berkeley lo scorso semestre sulla tecnologia emergente per la sostenibilità dell'acqua—ha ottenuto un brevetto sulle membrane nel 2015. E sebbene le aziende abbiano espresso interesse a commercializzare la tecnologia, lei dice che deve essere prima testato su una scala più ampia.

Ancora, Mi dice che crede che la membrana sarebbe molto attraente per il governo e l'industria, soprattutto nel bel mezzo della lunga siccità della California. Questo perché la loro capacità di essere più efficienti dal punto di vista energetico e meno costosi li rende potenzialmente utili nella desalinizzazione dell'acqua di mare, un approccio che è stato proposto come una potenziale soluzione per aumentare l'approvvigionamento idrico dello stato, tuttavia è considerato oggi in gran parte irrealizzabile a causa degli elevati costi e delle esigenze ad alta intensità energetica degli impianti di desalinizzazione.

Mi aggiunge che c'è un altro vantaggio pratico nell'uso delle membrane di ossido di grafene:poiché funzionano con un processo di separazione fisica, possono essere scalati fino a grandi impianti di trattamento o fino a un livello domestico, collegato a un rubinetto.

"È molto flessibile, compatto e a bassa manutenzione, ", dice. "Stiamo lavorando davvero duramente in questo momento per farli funzionare per la desalinizzazione".