I ricercatori del National Graphene Institute (NGI) dell'Università di Manchester hanno raggiunto l'obiettivo a lungo ricercato di controllare elettricamente il flusso d'acqua attraverso le membrane, come riportato in Natura .

Questo è l'ultimo entusiasmante sviluppo di membrane che si avvale delle proprietà uniche del grafene. La nuova ricerca apre una strada per lo sviluppo di tecnologie a membrana intelligenti e potrebbe rivoluzionare il campo dei sistemi biologici artificiali, ingegneria dei tessuti e filtrazione.

Il grafene è in grado di formare un filtro regolabile o addirittura una barriera perfetta quando si tratta di liquidi e gas. Nuove membrane "intelligenti" sviluppate utilizzando una forma economica di grafene chiamata ossido di grafene, hanno dimostrato di consentire un controllo preciso del flusso d'acqua utilizzando una corrente elettrica. Le membrane possono anche essere utilizzate per bloccare completamente il passaggio dell'acqua quando richiesto.

Il gruppo, guidato dal professor Rahul Nair, filamenti conduttivi incorporati all'interno della membrana di ossido di grafene elettricamente isolante. Una corrente elettrica passata attraverso questi nanofilamenti ha creato un ampio campo elettrico che ionizza le molecole d'acqua e quindi controlla il trasporto dell'acqua attraverso i capillari di grafene nella membrana.

Il professor Nair ha dichiarato:"Questa nuova ricerca ci consente di controllare con precisione la permeazione dell'acqua, dalla permeazione ultraveloce al blocco completo. Il nostro lavoro apre una strada per l'ulteriore sviluppo di tecnologie a membrana intelligenti.

"Lo sviluppo di membrane intelligenti che consentano un controllo preciso e reversibile della permeazione molecolare utilizzando stimoli esterni sarebbe di intenso interesse per molte aree della scienza; dalla fisica e dalla chimica, alle scienze della vita".

Il raggiungimento del controllo elettrico del flusso d'acqua attraverso le membrane è un cambiamento di fase a causa della sua somiglianza con diversi processi biologici in cui gli stimoli principali sono segnali elettrici. Il trasporto controllato dell'acqua è una chiave per la conservazione dell'acqua renale, regolazione della temperatura corporea e della digestione. Il controllo elettrico riportato del trasporto dell'acqua attraverso le membrane di grafene apre quindi una nuova dimensione nello sviluppo di sistemi biologici artificiali e dispositivi nanofluidici avanzati per varie applicazioni.

In precedenza, il gruppo di ricerca ha dimostrato che le membrane di ossido di grafene possono essere utilizzate come setaccio per rimuovere il sale dall'acqua di mare per alternative di desalinizzazione. L'anno scorso hanno anche dimostrato che le membrane possono rimuovere il pigmento colorato dal whisky senza alterarne le altre proprietà.

Per la ricerca innovativa sulle membrane a base di grafene, Il professor Andre Geim e il professor Rahul Nair hanno vinto l'ottavo premio del Prince Sultan Bin Abdulaziz International Prize for Water (PSIPW)

Gli scienziati hanno cercato a lungo di controllare il flusso dell'acqua attraverso la membrana utilizzando stimoli esterni a causa della sua importanza per l'assistenza sanitaria e le aree correlate. Attualmente, tali membrane regolabili sono limitate alla modulazione della bagnatura delle membrane e al trasporto ionico controllato, ma non il flusso di massa controllato dell'acqua.

Dottor Kai-Ge Zhou, l'autore principale del documento di ricerca ha detto, "La tecnologia della membrana intelligente al grafene riportata non si limita solo al controllo del flusso d'acqua. La stessa membrana può essere utilizzata come assorbente intelligente o spugna. L'acqua adsorbita sulla membrana può essere conservata nella membrana anche in condizioni desertiche se viene applicata una corrente . Potremmo rilasciare quest'acqua su richiesta spegnendo la corrente."

Dott. Vasu, il secondo autore principale ha commentato, "Il nostro lavoro non solo apre nuove applicazioni per le membrane di grafene, ma ci consente di comprendere l'effetto del campo elettrico sulle proprietà su scala nanometrica dell'acqua confinata. Nonostante molte previsioni teoriche contrastanti che vanno dal congelamento delle molecole d'acqua allo scioglimento del ghiaccio sotto un campo elettrico, mancavano le prove sperimentali per gli effetti del campo elettrico. Il nostro lavoro mostra che un grande campo elettrico può ionizzare l'acqua nei suoi ioni costituenti".

Il lavoro è stato svolto in collaborazione con scienziati dell'Università di York, Università di formazione degli insegnanti di Shahid Rajaee, Iran, e l'Università di Anversa, Belgio.

Il grafene e i relativi materiali bidimensionali hanno mostrato risultati promettenti per lo sviluppo di nuove applicazioni e per il miglioramento dei processi attualmente utilizzati per aree diverse come; elettronica, compositi, sensori e biomedicale. Le membrane sono diventate un tema chiave di ricerca e sviluppo per la desalinizzazione, separazione del gas e sanità.