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Un team della Queen Mary University di Londra, dell'Imperial College London (Regno Unito), della Northwestern University di Evanston (Stati Uniti) e della Bielefeld University (D) hanno prodotto una nuova generazione di nanomembrane polimeriche con molecole di macrociclo sovramolecolari allineate. Queste nuove nanomembrane dimostrano proprietà che promettono di migliorare l'efficienza dei processi di separazione ampiamente utilizzati nelle industrie chimiche e farmaceutiche.
Le industrie chimiche e farmaceutiche convenzionali utilizzano il 45-55% del loro consumo totale di energia durante la produzione nelle separazioni molecolari. Per rendere questi processi più efficienti, convenienti, rispettosi dell'ambiente e quindi sostenibili, questi processi devono essere parzialmente o totalmente sostituiti da nuove strategie di separazione che facciano uso di tecnologie innovative e rivoluzionarie a membrana.
Pubblicando i loro risultati sulla rivista Natura , il team mostra che le loro nanomembrane polimeriche con macrocicli supramolecolari allineati mostrano proprietà di filtrazione superbe ed estremamente selettive che superano le nanomembrane polimeriche convenzionali attualmente utilizzate nelle industrie chimiche e farmaceutiche. Le nanomembrane polimeriche convenzionali hanno un'ampia distribuzione della dimensione dei pori che manca di un modo controllabile per essere sintonizzati con precisione.
In questa nuova generazione di nanomembrane polimeriche, i macrocicli molecolarmente predefiniti sono allineati per fornire pori sub-nanometrici come gateway di filtrazione altamente efficace che separa le molecole con una differenza di dimensioni fino a 0,2 nm. I ricercatori mostrano che la disposizione, l'orientamento e l'allineamento di queste piccole cavità potrebbero essere realizzati da molecole di macrociclo selettivamente funzionalizzate, in cui il bordo superiore con gruppi altamente reattivi è preferibilmente rivolto in posizione verticale durante la reazione di reticolazione. L'architettura orientata dei macrocicli nelle nanomembrane potrebbe essere verificata mediante lo scattering di raggi X ad ampio angolo di incidenza radente (GI-WAXS). Questo ci consente per la prima volta di visualizzare i pori del macrociclo sub-nanometrico sotto microscopia a forza atomica ad alta risoluzione in ultra alto vuoto, dimostrando il concetto di sfruttare diverse dimensioni dei nanopori utilizzando diverse identità di ciclodestrina con precisione Angstrom.
Come prova funzionale del concetto, queste nanomembrane vengono applicate a separazioni farmaceutiche di alto valore per arricchire l'olio di cannabidiolo (CBD), esibendo una maggiore permeabilità all'etanolo e selettività molecolare rispetto alle membrane commerciali all'avanguardia. Questo nuovo concetto offre strategie fattibili per orientare i materiali porosi nei nanopori delle membrane che possono fornire separazioni molecolari accurate, rapide ed efficienti dal punto di vista energetico.
Il Dr. Zhiwei Jiang, ora EPSRC Future Leadership Fellow presso Exactmer Ltd nel Regno Unito, ha dichiarato:"La domanda di prodotti farmaceutici derivati dal CBD è cresciuta rapidamente, grazie alla loro grande efficacia nel trattamento della depressione, dell'ansia e del cancro. le tecniche artistiche per separare le molecole di CBD dagli estratti sono costose e ad alta intensità energetica. Le membrane possono offrire un'alternativa economica ed efficiente dal punto di vista energetico, ma richiedono separazioni accurate tra il CBD e altri componenti naturali di dimensioni simili disciolti nel solvente dell'estratto. Pertanto, un controllo preciso della dimensione dei pori della membrana è fondamentale per questa opportunità.
"Nel nostro lavoro, la dimensione dei pori delle membrane del macrociclo allineate può essere regolata con precisione con la precisione di Angstrom, che ha consentito un trasporto del solvente superiore di un ordine di grandezza e un arricchimento del CBD tre volte superiore rispetto alle membrane di riferimento commerciali. Ciò estende il grande potenziale di applicazione membrane in industrie di alto valore che richiedono un'accurata selettività molecolare".
"Questo lavoro non sarebbe stato sicuramente possibile senza i contributi dei nostri collaboratori negli Stati Uniti e in Germania. Hanno fornito le prove chiave che mostrano l'allineamento dei macrocicli (tecnica GIWAXS dagli Stati Uniti) e la visualizzazione dei pori del macrociclo allineati (tecnica AFM dalla Germania I loro risultati sono importanti per verificare il design molecolare e offrire una comprensione fondamentale di queste membrane, e in futuro cercheremo maggiori opportunità di collaborazione." + Esplora ulteriormente
