Più di 800 milioni di persone non hanno accesso ad acqua pulita e sicura. I recenti progressi nella tecnologia di filtrazione dell'acqua hanno creato nuovi modi per filtrare l'acqua e renderla potabile, ma molte di queste applicazioni sono troppo costose e ingombranti per essere utilizzate in parti remote del mondo. Osmosi inversa, Per esempio, può rendere potabile l'acqua di mare, ma il processo è incredibilmente costoso e richiede una grande quantità di energia.

Un nuovo studio del laboratorio di Chinedum Osuji descrive un nuovo modo per creare filtri per l'acqua su scala nanometrica flessibili e robusti, e hanno anche proprietà antimicrobiche. Postdoc Xunda Feng, ora alla Donghua University, e Yizhou Zhang e lo studente laureato Qaboos Imran sono i co-primi autori di questo articolo. Il loro lavoro è stato pubblicato in Progressi scientifici .

Quando si progetta un filtro su scala nanometrica, gli ingegneri di solito iniziano con qualcosa che assomiglia a un colino microscopico oa un setaccio. L'acqua viaggia attraverso i singoli fori che sono sparsi lungo il filtro e sono tenuti insieme da un materiale solido che riempie lo spazio intorno a loro.

Il gruppo di Osuji, che include esperti nella modifica della chimica dei polimeri a blocchi, grandi catene di molecole con grandi "blocchi" di sequenze ripetute, trovato qualcosa di inaspettato mentre studiavo un altro materiale simile. La loro scoperta li ha portati a "invertire" la loro strategia di progettazione:trasformare i "buchi" del filtro in fibre solide, lasciando aperte le parti precedentemente solide della struttura.

"Ma se poi prendi un materiale come questo, perché queste fibrille non si separano?", chiede Osuji. Il gruppo ha riconosciuto che il materiale era composto da qualcosa di simile a una complessa rete di fili interconnessi, o fibre, ma con l'importante distinzione che lo spazio tra le fibre era esplicitamente definito dalla struttura della molecola che componeva la fibra. Si sono resi conto che l'"interconnessione topologica" apparentemente casuale della fibra teneva insieme la struttura pur consentendo all'acqua di fluire attraverso.

Usando questo nuovo approccio "invertito", il gruppo ha creato e testato membrane, dare vita alle idee combinando nanostrutture uniche ideate da Feng utilizzando metodi di fabbricazione e caratterizzazione sviluppati da Imran e Zhang. Zhang, che ha esperienza nel campo della fabbricazione di membrane, si è unito al gruppo subito dopo che Osuji è arrivato a Penn lo scorso autunno, e Zhang ha svolto un ruolo chiave nella raccolta di dati critici sui trasporti.

"Storicamente l'expertise del gruppo è stata quella di manipolare e caratterizzare la struttura dei materiali, e non sapevamo come tradurlo in una vera membrana funzionante, "dice Imran. "Avevamo un proof-of-concept, ma ci è voluto un po' di tempo per realizzarlo, per arrivare a un punto che sia la comunità delle membrane che quella dei materiali possono apprezzare. "

Il materiale, simile nella composizione ai polimeri precedentemente utilizzati nelle lenti a contatto rigide, è stato inoltre progettato con collegamenti incrociati tra le singole fibre per aggiungere supporto al materiale. Il polimero include anche strutture chimiche che conferiscono al filtro proprietà antimicrobiche, il che significa che il materiale non verrà intasato dai batteri durante la purificazione dell'acqua.

Il gruppo sta ora studiando nuovi processi per realizzare il materiale in modo che possa essere abbastanza sottile da adattarsi al flusso di lavoro di nanofiltrazione esistente. Vedono anche questo approccio come utile per applicazioni future oltre alla filtrazione dell'acqua. "Alla fine del giorno, questo è un materiale poroso strutturato con precisione con una chimica superficiale versatile, così puoi immaginare molte applicazioni, " dice Imran. "Può essere una membrana in una cella a combustibile o in una batteria."

Per Zhang, l'impatto del loro ultimo studio deriva da ciò che hanno appreso sul materiale stesso nel processo di caratterizzazione. "Questa è una nuova nanostruttura per le membrane, ed è emozionante averlo proposto e dimostrato la sua utilità. È anche eccitante perché la struttura può essere sfruttata in applicazioni oltre la nanofiltrazione, " lui dice.

Osuji è anche ansioso di vedere come il loro unico, approccio invertito potrebbe essere utilizzato in futuro. "Al primo controllo, è questa idea inaspettata che puoi realizzare membrane usando questo tipo di approccio. Una volta capito questo, puoi solo cambiare la chimica, mirare a diverse applicazioni, quindi spero che altri seguano questo approccio, " lui dice.

Per quanto riguarda la depurazione dell'acqua, Osuji spera di vedere la nanofiltrazione diventare più ampiamente adottata come un modo per rimuovere sostanze chimiche dannose senza i costi associati ad altre tecniche. "L'osmosi inversa è altamente sviluppata e molto efficiente nel rimuovere tutti i contaminanti tranne quelli più difficili, ma ci sono posti dove non è conveniente, come nel trattamento dell'acqua salmastra, trattamento delle acque reflue industriali prima dello scarico, o addolcimento dell'acqua. C'è la possibilità di spingere queste nuove membrane in quei regimi, " lui dice.