El control de la fricción del agua con materiales 2D apunta a ‘membranas inteligentes’

Coautores del estudio (de izquierda a derecha): Yi You, Solleti Goutham, Radha Boya y Ashok Keerthi. Crédito: Universidad de Manchester

La velocidad del flujo de agua es un factor limitante en muchos procesos industriales basados ​​en membranas, incluida la desalinización, la separación molecular y la generación de energía osmótica.

Investigadores del Instituto Nacional de Grafeno (NGI) de la Universidad de Manchester han publicado un estudio en Comunicaciones de la naturaleza mostrando una disminución dramática en la fricción cuando el agua pasa a través de capilares a nanoescala hechos de grafeno, mientras que aquellos con nitruro de boro hexagonal (hBN), que tiene una topografía superficial y una estructura cristalina similares al grafeno, muestran una alta fricción.

El equipo también demostró que la velocidad del agua podría controlarse selectivamente cubriendo los canales de hBN de alta fricción con grafeno, abriendo la puerta a una permeación y eficiencia mucho mayores en las llamadas ‘membranas inteligentes’.

Los flujos de fluidos rápidos y selectivos son comunes en la naturaleza, por ejemplo, en estructuras proteicas llamadas acuaporinas que transportan agua entre las células en animales y plantas. Sin embargo, los mecanismos precisos de los rápidos flujos de agua a través de superficies atómicamente planas no se comprenden completamente.

Las investigaciones del equipo de Manchester, dirigido por la profesora Radha Boya, han demostrado que, en contraste con la creencia generalizada de que todas las superficies atómicamente planas que son hidrófobas deberían proporcionar poca fricción para el flujo de agua, de hecho, la fricción se rige principalmente por interacciones electrostáticas entre moléculas que fluyen y sus superficies de confinamiento.

El control de la fricción del agua con materiales 2D apunta a 'membranas inteligentes'
Crédito: Universidad de Manchester

El Dr. Ashok Keerthi, primer autor del estudio, dijo: “Aunque el hBN tiene una ‘humectabilidad’ del agua similar al grafeno y al MoS2, nos sorprendió que el flujo de agua sea totalmente diferente. Curiosamente, la superficie rugosa del grafeno con pocas abolladuras profundas en los angstroms / terrazas, o la superficie de MoS2 atómicamente corrugada, no obstaculizó los flujos de agua en los nanocanales “.

Por lo tanto, una superficie atómicamente lisa no es la única razón para que el grafeno fluya sin fricción. Más bien, las interacciones entre las moléculas de agua que fluyen y los materiales 2D confinantes juegan un papel crucial en impartir la fricción al transporte de fluidos dentro de los nanocanales.

El profesor Boya dijo: “Hemos demostrado que los nanocanales cubiertos con grafeno en las salidas muestran flujos de agua mejorados. Esto puede ser muy útil para aumentar el flujo de agua de las membranas, especialmente en aquellos procesos en los que está involucrada la evaporación, como la destilación o la desalinización térmica”. “

La comprensión de la fricción del líquido y las interacciones con los materiales de los poros es vital para el desarrollo de membranas eficientes para aplicaciones como el almacenamiento de energía y la desalinización.

Este último estudio se suma a un cuerpo de trabajo cada vez más influyente de los investigadores del NGI, ya que Manchester refuerza su posición a la vanguardia de la investigación de nanofluidos hacia aplicaciones industriales mejoradas para sectores que incluyen el tratamiento de aguas residuales, la producción farmacéutica y alimentos y bebidas.



Source: Phys.org – latest science and technology news stories by phys.org.

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