Le membrane di filtrazione sono, al loro centro, materiali spugnosi con pori micro o nanoscopicamente piccoli. sostanze chimiche indesiderate, batteri e persino virus sono fisicamente bloccati dal labirinto di maglie, ma i liquidi come l'acqua possono farcela.

Lo standard attuale per la realizzazione di questi filtri è relativamente semplice, ma non consente molto di dare loro funzionalità aggiuntive. Questa è una necessità particolare quando si tratta di "biofouling". Il materiale biologico che dovrebbero filtrare, inclusi batteri e virus, rimane bloccato sulla superficie della rete, bloccando i pori con un residuo viscido.

Oltre a ridurre il flusso, tali biofilm possono potenzialmente contaminare qualsiasi liquido arrivi dall'altra parte del filtro.

I ricercatori della School of Engineering and Applied Science dell'Università della Pennsylvania hanno un nuovo modo di realizzare membrane che potrebbe risolvere questo problema. Il loro metodo consente loro di aggiungere una serie di nuove abilità tramite nanoparticelle funzionali che aderiscono alla superficie della rete.

Hanno dimostrato questo nuovo processo con membrane che bloccano i contaminanti di dimensioni di batteri e virus senza lasciarli attaccare, una proprietà che aumenterebbe notevolmente l'efficienza e la durata del filtro.

Le membrane "antivegetativa" che hanno testato sarebbero immediatamente utili in applicazioni relativamente semplici, come filtrare l'acqua potabile, e potrebbe eventualmente essere utilizzato sui composti oleosi presenti nelle acque reflue di fracking e in altri inquinanti pesanti.

Il metodo dei ricercatori, descritto in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura , consente membrane realizzate con un'ampia gamma di polimeri e nanoparticelle. Oltre alle capacità antivegetative, le future nanoparticelle potrebbero catalizzare reazioni con i contaminanti, distruggendoli o addirittura convertendoli in qualcosa di utile.

Lo studio è stato condotto da Daeyeon Lee, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Penn Engineering, e Kathleen Stebe, Deputy Dean for Research di Penn Engineering e Richer &Elizabeth Goodwin Professor of Chemical and Biomolecular Engineering, insieme a Martin F. Haase, un assistente professore alla Rowan University che ha sviluppato la tecnologia come ricercatore post-dottorato nei laboratori di Stebe e Lee. Harim Jeon, Noah Hough, e anche Jong Hak Kim hanno contribuito allo studio.

Il nuovo metodo di fabbricazione della membrana dei ricercatori si basa su un tipo specializzato di miscela liquida nota come "gel emulsione bicontinua interfaccialmente inceppata, " o "bijel." A differenza delle emulsioni che consistono in goccioline isolate, entrambe le fasi petrolifere e idriche di bijels sono costituite da reti densamente intrecciate ma completamente connesse. Le nanoparticelle introdotte nell'emulsione trovano la loro strada verso l'interfaccia tra le reti petrolifere e idriche.

Lee, Stebe e Haase avevano precedentemente ideato un nuovo modo di produrre bijel che consente una più ampia gamma di materiali componenti, che hanno descritto in un documento sui materiali avanzati del 2015. Ora, hanno mostrato un modo per creare un filtro solido usando lo stesso metodo.

"Sapevamo che questa tecnologia aveva delle promesse, " Stebe ha detto. "Alcune di quelle promesse ora si stanno realizzando".

Come con i loro bijel precedenti, questo filtro inizia come una rete intrecciata di acqua e olio, con un denso strato di nanoparticelle che separa i due. Ma utilizzando un olio che può essere polimerizzato con luce UV, reticolando singole molecole fluttuanti in un solido, Mesh 3D:i ricercatori sono ora in grado di solidificare la struttura del bijel.

criticamente, questo metodo lascia il denso strato di nanoparticelle in posizione sulla superficie del polimero dopo che l'acqua è stata defluita. I modi convenzionali di produrre membrane polimeriche non lo consentono.

"I polimeri in genere odiano le particelle e le espellono, ma le interfacce amano le particelle e le intrappoleranno, " Stebe ha detto. "La densità delle nanoparticelle sulla superficie dei nostri polimeri è alle stelle. Sono ammassati insieme come sabbia in un castello di sabbia".

I ricercatori hanno impregnato i loro filtri di nanoparticelle di silice, e li ha modellati in tubi simili a paglia. Le nanoparticelle di silice possono essere modificate con un'ampia gamma di sostanze chimiche con diverse funzionalità, compresa la proprietà antivegetativa testata dai ricercatori. Hanno dimostrato le loro capacità di filtraggio e antivegetativa su acqua contenente nanoparticelle d'oro di varie dimensioni.

"Nel nostro esperimento, siamo stati in grado di filtrare nanoparticelle d'oro molto piccole, di dimensioni equivalenti a virus, " ha detto Lee. "La forma del tubo funziona bene anche nell'implementazione su larga scala di queste membrane filtranti. Poiché hanno un ampio rapporto tra superficie e volume e non si intasano, possiamo aspirare fluido dai lati e aspirarlo dall'estremità, consentendo una filtrazione continua."

"Le membrane sono in genere materiali passivi che non adattano le loro proprietà quando cambiano le condizioni ambientali, " ha detto Haase. "Un aspetto interessante delle nostre membrane è che possono essere fatte aprire e chiudere i loro pori in risposta a un segnale chimico. Questa caratteristica unica consente alla membrana di avere una permeabilità controllabile, che è utile per la separazione di diversi tipi di contaminanti dall'acqua."

Lee è anche un investigatore co-principale presso REACT di Penn Engineering, o Ricerca e formazione nelle tecnologie di rivestimento attivo per l'habitat umano. Questo programma multidisciplinare ha lo scopo di migliorare i rifugi utilizzati nei soccorsi in caso di calamità, e come tale, Lee ha interagito con i soccorritori e i fornitori di apparecchiature, come ShelterBox.

"Quando abbiamo parlato con le persone di ShelterBox, dicevano che più di una tenda, ciò di cui la gente ha bisogno è acqua pulita, "Ha detto Lee. "REACT potrebbe potenzialmente rendere questi filtri parte di un sistema che fa entrambe le cose".

Con diverse crisi di rifugiati in corso in tutto il mondo e milioni ancora senza acqua potabile dopo che l'uragano Maria ha colpito Porto Rico, l'importanza di questo sviluppo non è persa sui ricercatori.

"Ci sono davvero persone in questo momento che hanno così tanto bisogno di questo tipo di tecnologia". disse Stebe.