Tecnologia Científica

Membranas altamente seletivas: os pesquisadores descobrem como a água pode afetar sua própria filtração
Os pesquisadores detalham um sistema de feedback entre as moléculas de água que abre novas possibilidades de design para membranas altamente seletivas. Os aplicativos podem incluir filtros de vírus.
Por Universidade de Tóquio - 20/10/2020


A membrana de tratamento de água líquido-cristalina subnanoporosa pode ser altamente seletiva sobre o que deixa passar. Crédito: Kato e Harada et al.

Membranas com poros microscópicos são úteis para filtração de água. O efeito do tamanho dos poros na filtração da água é bem conhecido, assim como o papel dos íons, átomos carregados que interagem com a membrana. Pela primeira vez, os pesquisadores descreveram com sucesso o impacto das moléculas de água em outras moléculas de água e em íons como parte do mecanismo de filtração. Os pesquisadores detalham um sistema de feedback entre as moléculas de água que abre novas possibilidades de design para membranas altamente seletivas. Os aplicativos podem incluir filtros de vírus.

A química sintética é um campo de estudo relacionado à criação e exploração de novas substâncias e materiais que não existem na natureza. Às vezes, uma propriedade ou comportamento específico de um material é necessário para uma aplicação como a de fabricação farmacêutica ou de alta tecnologia. A química sintética pode ajudar a encontrar, criar ou refinar materiais adequados. Por exemplo, as chamadas membranas de cristal líquido sintético podem ser usadas para filtrar água .

Ao filtrar água ou outros líquidos, o objetivo é separar componentes químicos, como íons, de seu fluido alvo. O uso de uma membrana porosa pode ser o método principal para fazer isso. É intuitivamente óbvio que os furos em uma superfície impedirão que qualquer coisa maior do que o furo passe. Mas membranas avançadas, como as de cristal líquido sintético, podem ter poros de apenas alguns nanômetros, bilionésimos de metro. Nessas escalas, a funcionalidade da membrana é mais do que apenas o tamanho de um poro .

"A química desempenha um grande papel no que acontece nessas escalas pequenas", disse o professor Takashi Kato, do Departamento de Química e Biotecnologia da Universidade de Tóquio. "No caso da filtragem de água, os poros são dimensionados para não permitir que nada maior do que a água passe. No entanto, também existem forças eletrostáticas entre os íons e os poros. Se o material for projetado corretamente, essas forças servem como uma barreira adicional até mesmo para os íons se eles forem menores do que os poros. Isso é bastante bem compreendido. Mas há ainda outra substância importante em jogo que pode afetar a filtragem da água , que é a própria molécula de água. "

O professor Yoshihisa Harada do Instituto de Física do Estado Sólido da UTokyo e sua equipe se propuseram a descrever completamente o que há muito se suspeitava, mas nunca foi explicado antes: como as moléculas de água no local de um poro interagem com as moléculas de água e íons circundantes . Na verdade, isso é muito significativo nessa escala minúscula, onde até mesmo forças sutis podem afetar o desempenho geral da membrana de filtração. Também é extremamente difícil extrair esse tipo de informação dos sistemas físicos .
 
"Em teoria, poderíamos usar simulações de computador para modelar com precisão como a água se comporta e interage durante a filtração, mas essas simulações exigiriam grande quantidade de poder de supercomputação", disse Harada. "Então, pelo menos inicialmente, nós nos voltamos para um método físico para explorar esses mecanismos, chamado espectroscopia de emissão de raios X suave de alta resolução baseada em síncrotron. Isso em si foi um desafio extremamente complexo."

Esse processo funciona pegando as emissões de raios X de um síncrotron, um acelerador de partículas, e direcionando-as para a amostra em análise. A amostra, no caso a membrana e as moléculas de água, altera algumas características do feixe de raios X, antes de ser detectado e registrado por um sensor de alta resolução. As mudanças impostas ao feixe de raios-X informam aos pesquisadores o que estava acontecendo na amostra com um alto grau de precisão.

"Não é fácil", disse Harada. "Devido à espessura das membranas, os sinais que esperávamos das moléculas de água alvo nos poros são difíceis de diferenciar dos sinais de fundo devido ao volume de outras moléculas de água. Portanto, tivemos que subtrair os sinais de nível de fundo para fazer nosso alvo sinaliza mais visível. Mas agora estou satisfeito por podermos apresentar a primeira descrição da água agindo como parte de seu material hospedeiro. Ao realizar esse tipo de ciência básica, esperamos que forneça ferramentas para outras pessoas desenvolverem. "

Os novos modelos da equipe descrevem como as interações das moléculas de água são moduladas por partículas carregadas nas proximidades. Nos poros da membrana , as moléculas de água moduladas de certa forma se ligam preferencialmente a outras moléculas de água moduladas no volume. Um sistema dinâmico como este, em que uma mudança em alguma propriedade causa mais mudanças na mesma propriedade, é conhecido como loop de feedback. Embora possam parecer matematicamente complicados, esses modelos podem ajudar os engenheiros a criar métodos de filtragem novos e eficazes.

"As membranas de cristal líquido já têm poros de tamanhos perfeitos, enquanto os tipos anteriores de membranas eram mais variados", disse Kato. "Combinado com o nosso novo conhecimento, pretendemos criar membranas que são ainda mais seletivas sobre o que deixam passar do que qualquer coisa que veio antes. Elas poderiam fazer mais do que purificar a água ; elas podem ser úteis, por exemplo, na construção de lítio. baterias de íon, como eletrólitos que transportam íons de lítio entre eletrodos e até mesmo como um filtro de vírus. Como essas membranas são altamente seletivas, elas poderiam ser ajustadas para bloquear apenas coisas muito específicas, o que significa que também poderiam ser usadas por longos períodos antes de se tornarem saturadas . "

Existem várias áreas que Harada, Kato e seus colegas desejam explorar mais. Esses experimentos físicos iniciais informarão os modelos de computador, portanto, as simulações de computador avançadas são uma dessas áreas. Mas eles também desejam observar as membranas celulares que medeiam naturalmente a passagem de íons como potássio e sódio - estudá-los também pode ajudar a melhorar as membranas artificiais.

"O que é empolgante aqui é como a química, a física e a biologia se combinam para elucidar coisas aparentemente complexas", disse Harada.

 

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