I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno scoperto che i pori della membrana dei nanotubi di carbonio potrebbero consentire processi di dialisi ultra rapidi che ridurrebbero notevolmente i tempi di trattamento per i pazienti in emodialisi.

La capacità di separare i costituenti molecolari in soluzioni complesse è cruciale per molti processi biologici e artificiali. Un modo è tramite l'applicazione di un gradiente di concentrazione attraverso una membrana porosa. Questo spinge ioni o molecole più piccoli dei diametri dei pori da un lato all'altro della membrana mentre blocca tutto ciò che è troppo grande per passare attraverso i pori.

In natura, membrane biologiche come quelle nel rene o nel fegato possono eseguire filtrazioni complesse pur mantenendo un'elevata produttività. Membrane sintetiche, però, spesso lottano con un noto compromesso tra selettività e permeabilità. Le stesse proprietà del materiale che determinano ciò che può e non può passare attraverso la membrana riducono inevitabilmente la velocità con cui può avvenire la filtrazione.

In una sorprendente scoperta pubblicata sulla rivista Scienze avanzate , I ricercatori LLNL hanno scoperto che i pori dei nanotubi di carbonio (cilindri di grafite con diametri migliaia di volte più piccoli di un capello umano) potrebbero fornire una soluzione al compromesso tra permeabilità e selettività. Quando si utilizza un gradiente di concentrazione come forza motrice, piccoli ioni, come il potassio, cloruro e sodio, sono stati trovati a diffondere attraverso questi minuscoli pori più di un ordine di grandezza più velocemente rispetto a quando si muove in una soluzione sfusa.

"Questo risultato è stato inaspettato perché il consenso generale in letteratura è che i tassi di diffusione nei pori di questo diametro dovrebbero essere uguali a, o al di sotto di ciò che vediamo alla rinfusa, " ha detto Steven Buchsbaum, autore principale del paper.

"La nostra scoperta arricchisce il numero di fenomeni nanofluidici eccitanti e spesso poco compresi scoperti di recente in un confinamento di pochi nanometri, "aggiunse Francesco Fornasiero, il ricercatore principale del progetto.

Il team ritiene che questo lavoro abbia implicazioni significative in diverse aree tecnologiche. Le membrane che impiegano nanotubi di carbonio come canali di trasporto potrebbero consentire processi di emodialisi ultrarapidi che ridurrebbero notevolmente i tempi di trattamento. Allo stesso modo, costi e tempi per la purificazione di proteine ​​e altre biomolecole, nonché per il recupero di prodotti preziosi da soluzioni elettrolitiche, potrebbero essere drasticamente ridotti. Il trasporto ionico potenziato in piccoli pori di grafite potrebbe consentire supercondensatori con elevata densità di potenza anche con dimensioni dei pori molto vicine a quelle degli ioni.

Per eseguire questi studi, il team ha sfruttato membrane sviluppate in precedenza che consentono il trasporto solo attraverso l'interno cavo di nanotubi di carbonio allineati con un diametro di pochi nanometri. Utilizzando una cella di diffusione personalizzata, è stato applicato un gradiente di concentrazione attraverso queste membrane ed è stata misurata la velocità di trasporto di vari sali e acqua. "Abbiamo sviluppato rigorosi test di controllo per assicurarci che non ci fossero altre possibili spiegazioni dei grandi flussi di ioni registrati, come il trasporto che avviene per perdite o difetti delle nostre membrane, " ha detto Buchsbaum.

Per capire meglio perché si verifica questo comportamento, il team si è avvalso dell'aiuto di diversi esperti LLNL. Anh Pham e Ed Lau hanno utilizzato simulazioni computazionali e April Sawvel ha utilizzato la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare per studiare il movimento degli ioni all'interno dei nanotubi di carbonio. Diverse possibili spiegazioni sono state escluse con successo, rendendo l'immagine più chiara. Però, un completo, la comprensione quantitativa dei tassi di trasporto osservati è ancora in fase di sviluppo.