Membrane di nanotubi di carbonio allineati verticalmente (VaCNT) possono essere utilizzate per pulire o desalinizzare l'acqua ad alta portata e bassa pressione. Recentemente, i ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) e i partner hanno effettuato esperimenti di adsorbimento di ormoni steroidei per studiare l'interazione delle forze nei piccoli pori.
Hanno scoperto che i VaCNT con una specifica geometria dei pori e una struttura superficiale dei pori sono adatti all'uso come membrane altamente selettive. Il loro studio è pubblicato su Nature Communications .
L’acqua potabile pulita è di vitale importanza per tutte le persone in tutto il mondo. Le membrane vengono utilizzate per rimuovere efficacemente i microinquinanti, come gli ormoni steroidei, dannosi per la salute e l'ambiente. Un materiale per membrane molto promettente è costituito da nanotubi di carbonio allineati verticalmente (VaCNT).
"Questo materiale è sorprendente:con piccoli pori di diametro compreso tra 1,7 e 3,3 nanometri, una forma cilindrica quasi perfetta e una torsione ridotta", afferma la professoressa Andrea Iris Schäfer, che dirige l'Istituto per la tecnologia avanzata delle membrane (IAMT) del KIT. "I nanotubi dovrebbero avere un effetto altamente assorbente, ma avere solo un attrito molto basso." Attualmente, i pori sono troppo grandi per una ritenzione efficace, ma i pori più piccoli non sono ancora tecnicamente realizzabili.
Negli esperimenti con microinquinanti steroidei, i ricercatori IAMT hanno studiato perché le membrane VaCNT sono filtri dell’acqua perfetti. Hanno utilizzato membrane prodotte dal Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) di Livermore (California). La scoperta:il basso adsorbimento di VaCNT, cioè la deposizione sulla superficie, è auspicabile per membrane altamente selettive destinate a sostanze speciali.
Lo studio rivela che l’adsorbimento nei nanopori della membrana non dipende solo dalla superficie di adsorbimento e dal limitato trasferimento di massa, ma anche dall’interazione delle forze idrodinamiche, dell’attrito e delle forze di attrazione e repulsione all’interfaccia liquido-parete. I nanopori altamente permeabili all'acqua mostrano una bassa interazione a causa del piccolo attrito e dell'elevata portata.
"Quando le molecole non vengono trattenute a causa delle loro dimensioni, l'interazione con il materiale spesso determinerà cosa succede. Le molecole rimbalzeranno attraverso la membrana in modo simile a uno scalatore che scala una parete. Questo è molto più facile quando ci sono molte buone prese per l'arrampicata." Schäfer spiega. Studi come quello condotto da IAMT aiutano a progettare in modo specifico la geometria dei pori e la struttura della superficie dei pori.
Dieci anni per trasformare l'idea in un esperimento
Le membrane sono state sviluppate dal Dr. Francesco Fornasiero e dal suo team presso LLNL. Gli esperimenti con i microinquinanti sono stati condotti e valutati utilizzando gli strumenti analitici più recenti presso IAMT. "Ci sono voluti circa 10 anni per trasformare l'idea in un esperimento di successo che ha incontrato il vasto interesse della comunità della tecnologia delle membrane", afferma Schäfer.
La produzione di membrane così quasi perfette è estremamente difficile. Su superfici più grandi, di alcuni centimetri quadrati, la probabilità di difetti è molto alta. E i difetti influenzerebbero i risultati. Negli ultimi anni LLNL è riuscita a produrre membrane su aree più ampie. Parallelamente, i ricercatori IAMT hanno costruito sistemi di filtraggio molto piccoli per esperimenti volti a trattenere tracce di inquinanti su due centimetri quadrati.
"Il ridimensionamento è estremamente difficile. Aver gestito tutto questo insieme è un grande successo", afferma Schäfer. "Ora stiamo aspettando lo sviluppo di membrane con pori ancora più piccoli."
Lo studio è stato il primo a concentrarsi sull’interazione tra forze idrodinamiche, attrito e forze di attrazione e repulsione. Fornisce risultati di base relativi al trattamento dell'acqua. Questi possono avvantaggiare i processi di ultra e nanofiltrazione controllati dai nanopori.
Ulteriori informazioni: Minh N. Nguyen et al, Interazione delle forze che governano l'adsorbimento dei microinquinanti degli ormoni steroidei nei nanopori della membrana di nanotubi di carbonio allineati verticalmente, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44883-2
Fornito dal Karlsruhe Institute of Technology
