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Cientistas de Yale desenvolvem um polímero nanoporoso à base de plantas para purificação de água, potencialmente superando as membranas à base de petróleo.
Cientistas da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Yale desenvolveram um material derivado de plantas que pode ser usado para purificar a água potencialmente de forma muito mais eficaz do que os atuais materiais de membrana à base de petróleo.
O material, um polímero nanoporoso altamente ordenado e alinhado, é baseado em ácidos graxos naturais derivados de óleos vegetais. O professor Chinedum Osuji e seu laboratório, em colaboração com o professor Menachem Elimelech, publicaram suas descobertas na ACS Nano.
“A estrutura obtida é altamente seletiva porque o tamanho dos poros é muito bem definido, enquanto o fato dos poros estarem alinhados garante uma operação extremamente eficiente”, disse Osuji, Professor Associado de Engenharia Química e Ambiental. Essa seletividade significa que o material pode ter uma aplicação imediata em nanofiltração para livrar a água de contaminantes, como corantes têxteis, produtos farmacêuticos, pesticidas e outros contaminantes de preocupação emergente.
Xunda Feng, coautora do artigo, observou que as tecnologias baseadas em membranas desempenham um papel importante na purificação da água, mas que as tecnologias atuais têm duas desvantagens significativas.
“Eles têm baixa seletividade”, disse Feng, associado de pós-doutorado no laboratório de Osuji. “Eles também são fabricados inteiramente com materiais à base de petróleo.”
Devido às preocupações ambientais, a produção de polímeros úteis a partir de materiais renováveis ou derivados de forma sustentável tem sido há muito tempo um objetivo dos cientistas que procuram uma alternativa aos materiais à base de petróleo. No entanto, essas alternativas provaram ter desempenho inferior.
Para criar o novo material, os cientistas usaram uma técnica conhecida como modelo molecular, na qual uma única molécula atua como um guia para as moléculas de ácidos graxos se automontarem em colunas hexagonais. Porque o gordo ácido moléculas não se ligam fisicamente à molécula guia, o modelo pode ser removido, produzindo nanoporos. O tamanho dos nanoporos é definido com precisão pelo processo de automontagem, enquanto a natureza química das paredes dos nanoporos é definida intrinsecamente pelo ácido graxo, ou por simples modificações químicas realizadas após a formação da membrana.
As membranas foram testadas em experimentos de adsorção para ver com que facilidade moléculas de diferentes tamanhos e diferentes cargas (positivas ou carregadas negativamente) poderiam entrar nos poros. Os resultados foram surpreendentes – uma pequena diferença de apenas 0,4 nm (cerca de 250.000 vezes menor que a largura de um fio de cabelo humano) resultou em uma mudança de admissão completa para rejeição quase completa de moléculas, e as membranas exibiram rejeição completa de moléculas carregadas negativamente. independente do seu tamanho. “Essas novas membranas podem transportar seletivamente água e moléculas desejadas, mas rejeitar as indesejadas, de uma maneira superior às atuais membranas disponíveis comercialmente”, disse Gilad Kaufman, colaborador do projeto e Ph.D. candidato no laboratório de Osuji.
Kohsuke Kawabata, coautor e associado de pós-doutorado no laboratório de Osuji, observou que a síntese da molécula modelo é de baixo custo e escalável. Além disso, a molécula modelo que eventualmente é removida da membrana polimérica pode ser reutilizada para produzir membranas adicionais.
Osuji disse que seu laboratório continuará trabalhando com Elimelech, professor Roberto C. Goizueta de Engenharia Química e Ambiental, para desenvolver suas descobertas.
“Agora queremos fazer filmes grandes e examinar sua seletividade em fluxo controlado por pressão, para ver quais moléculas passam e quais não – basicamente ampliando para membranas práticas”, disse ele. A equipe também explorará outros usos potenciais, como a transferência de nanopadrões de alta densidade para a indústria de semicondutores.
Referência: “Nanoporos verticalmente alinhados altamente seletivos em membranas de polímeros derivados de forma sustentável por modelagem molecular” por Xunda FengOrcid, Kohsuke Kawabata, Gilad Kaufman, Menachem ElimelechOrcid e Chinedum O. Osuji, 16 de março de 2017, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.7b00304