Imagínese un partido de baloncesto reñido que se reduce al último tiro. La probabilidad de que la pelota atraviese el aro puede ser bastante baja, pero aumentará drásticamente si al jugador se le da la oportunidad de tirarla repetidamente.
Una idea similar se está desarrollando en el campo científico de la separación por membranas, un proceso importante en industrias que van desde la biotecnología hasta la petroquímica, pasando por el tratamiento de agua y los alimentos y bebidas.
“Las separaciones son el núcleo de muchos de los productos que utilizamos en nuestra vida diaria”, afirmó Seth Darling, jefe del Centro de Materiales Avanzados para Sistemas Energéticos de Agua (AMEWS) en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). “Los miembros son la clave para lograr una separación efectiva”.
Muchos procesos comerciales utilizan membranas para separar solutos de diferentes tamaños, que se disuelven en agua u otros fluidos. Casi todas las membranas comerciales son polidispersas, lo que significa que el tamaño de sus poros no es uniforme. Para estas membranas, la separación rápida de materiales es casi imposible porque diferentes tamaños de solutos pueden pasar a través de diferentes poros. “Básicamente, todas las membranas comerciales, todas las membranas que realmente se usan para cualquier cosa, tienen una amplia gama de tamaños de poros: poros pequeños, poros medianos y poros grandes”, dijo Darling.
Argonne y sus colegas de Darling y de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago están interesados en observar las propiedades de las membranas isoporosas, que son membranas en las que todos los poros son del mismo tamaño. Anteriormente, los científicos creían que había un límite en la finura de las separaciones que podían lograr a nanoescala, no sólo debido a las variaciones en el tamaño de los poros, sino también a un fenómeno conocido como “cien transporte”.
El transporte por impedancia se refiere a la resistencia interna del medio fluido cuando el soluto intenta atravesar el poro.
“El agua en un poro creará un arrastre sobre una molécula o partícula que intenta atravesarlo, lo que hará que se ralentice”, dijo Darling. “Esos solutos más lentos parecen ser rechazados por la membrana. Por el contrario, los objetos que tienen la mitad del tamaño del poro también serán rechazados en aproximadamente la mitad del tiempo”. Explicaron que superar el rechazo causado por las dificultades en el transporte permitiría una selectividad sin precedentes en las separaciones basadas en el tamaño.
“El sistema que nos interesa contiene poros de unos 10 nanómetros de diámetro. Con una membrana perfecta y un diseño de proceso adecuado, creemos que podemos separar solutos con menos de un cinco por ciento de diferencia de tamaño. “Las membranas actuales no tienen ninguna posibilidad de extraerlos. apagado”, dijo Darling.
En un nuevo estudio, Darling y sus colegas han revelado un movimiento que sólo puede revelarse mediante el estudio de membranas isoporosas y que ofrece esperanzas para superar las barreras del transporte. “Hasta ahora, los científicos han asumido implícitamente que cada soluto tiene sólo un intento de pasar a través de un poro, rechazando así muchos solutos que impiden el transporte de Ga que eran más pequeños que el tamaño del poro, lo que hacía que permanecieran en la corriente de salida en lugar de en la flujo de alimentación”, añadió Darling. “Aunque esto puede parecer obvio para algunos, la gente nunca ha considerado una situación en la que un soluto pueda realizar múltiples intentos de atravesar una membrana”.
La solución de alimentación debe ciclarse durante varias semanas para brindar múltiples oportunidades para que las moléculas del soluto pasen a través de los poros. “Incluso con un largo período de experimentos, todavía solo vemos solutos individuales que intentan pasar a través del poro un par de veces en promedio, pero eso hace que la curva de separación se incremente. Hace la diferencia”, dijo Darling. “Con más tiempo, o más probablemente con un mejor diseño de procesamiento, creemos que veremos una separación clara y nítida donde el tamaño de los poros coincide con el tamaño de la solución”.
Los conocimientos aprendidos de las membranas isoporosas se pueden aplicar a los materiales de membrana existentes que aumentan la cantidad de oportunidades para que los solutos pasen a través de los poros. “Si estos estudios básicos pueden transferirse con éxito a las separaciones industriales con membranas, esto podría tener un impacto tremendo en muchos sectores de nuestra economía”, afirmó.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE.
