Imitando la struttura del rene, un team di scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell'Università dell'Illinois a Chicago (UIC) ha creato una membrana tridimensionale sottile in nanometri (nm) che rompe il compromesso permeenza-selettività delle membrane artificiali.

Le membrane altamente permeabili e selettive sono utili per una vasta gamma di applicazioni, come la dialisi, depurazione dell'acqua e stoccaggio di energia. Però, le membrane sintetiche convenzionali basate su strutture bidimensionali soffrono della limitazione del trade-off tra permeabilità e selettività, derivanti dalla loro superficie intrinsecamente limitata e lunghe geometrie complesse dei pori.

Prendendo spunto dai sistemi biologici che realizzano un trasporto di massa transmembrana altamente selettivo e rapido impiegando efficienti strutture funzionali 3-D, il team ha sviluppato una membrana 3-D autoportante composta da due canali 3-D interconnessi, che sono separati da uno strato poroso di ossido di titanio (TiO2) nanometrico.

Questa esclusiva architettura biomimetica 3-D aumenta notevolmente la superficie, e quindi l'area di filtrazione, entro le 6, 000 volte, accoppiato con una distanza di diffusione ultra-corta attraverso lo strato selettivo sottile di 2-4 nm. Queste caratteristiche forniscono le elevate prestazioni di separazione della membrana 3-D con caratteristiche di trasferimento di massa rapido.

"Il nostro studio suggerisce che il design della membrana 3-D ha un grande potenziale per superare i limiti delle membrane sintetiche convenzionali, " ha detto lo scienziato dei materiali LLNL Jianchao Ye, uno degli autori corrispondenti di un articolo apparso sulla rivista Materials Horizons.

"I risultati di questo lavoro forniscono anche criteri di progettazione fondamentali per lo sviluppo di membrane nanoporose ad alte prestazioni, " ha detto Sangil Kim, ex scienziato LLNL ora presso l'Università dell'Illinois a Chicago.

Il team ha affermato che la nuova membrana 3-D presenta applicazioni promettenti nell'ingegneria biomedica e nell'area di stoccaggio dell'energia, come membrane per batterie al solfuro di litio e all'ossido di litio.

"Il design della membrana biomimetica 3-D dimostrato in questo lavoro consentirà infine lo sviluppo di sistemi di emodialisi impiantabili ad alte prestazioni e polmoni artificiali a membrana, cambiando così la vita di centinaia di migliaia di americani con insufficienza renale totale e permanente e insufficienza polmonare, Lo scienziato e co-autore LLNL Juergen Biener ha detto.

Il team ha anche sottolineato che le prestazioni possono essere ulteriormente migliorate mediante ottimizzazioni geometriche utilizzando la stampa 3D e tecniche di apprendimento automatico, che porta a enormi opportunità di ricerca nel campo delle membrane.