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Imagine um jogo de basquete acirrado que se resume à tacada final. A probabilidade de a bola passar pelo aro pode ser bastante baixa, mas aumentaria dramaticamente se o jogador tivesse a oportunidade de arremessá-la repetidamente.
Uma ideia semelhante está em jogo no campo científico das separações por membranas, um processo-chave central para indústrias que incluem tudo, desde a biotecnologia à petroquímica, ao tratamento de água, a alimentos e bebidas.
“As separações estão no cerne de muitos dos produtos que usamos em nossas vidas cotidianas”, disse Seth Darling, chefe do Centro de Materiais Avançados para Sistemas de Água Energética (AMEWS) do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). “As membranas são a chave para alcançar separações eficientes.”
Muitos processos comerciais utilizam membranas para separar diferentes tamanhos de solutos, que são substâncias dissolvidas em água ou outros fluidos. Quase todas as membranas comerciais são polidispersas, o que significa que os tamanhos dos seus poros não são consistentes. Para essas membranas, é quase impossível fazer uma separação nítida dos materiais, pois diferentes tamanhos de solutos podem passar por diferentes poros. “Essencialmente, todas as membranas comerciais, todas as membranas que são realmente usadas para qualquer coisa, têm uma ampla variedade de tamanhos de poros – poros pequenos, poros médios e poros grandes”, disse Darling.
Darling e seus colegas da Argonne e da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago têm se interessado em observar as propriedades das membranas isoporosas, que são membranas nas quais todos os poros são do mesmo tamanho. Anteriormente, os cientistas acreditavam que havia um limite para a nitidez das separações que poderiam alcançar em nanoescala, não apenas por causa das variações no tamanho dos poros, mas também por um fenômeno chamado “transporte dificultado”.
O transporte dificultado refere-se à resistência interna do meio fluido à medida que o soluto tenta passar pelo poro.
“A água no poro criará arrasto em uma molécula ou partícula que está tentando passar, fazendo com que ela desacelere”, disse Darling. “Esses solutos mais lentos parecem ser rejeitados pela membrana. Contraintuitivamente, objetos com até metade do tamanho do poro acabarão sendo rejeitados na metade das vezes.” Superar a rejeição criada pelo transporte dificultado permitiria uma seletividade sem precedentes nas separações baseadas no tamanho, explicou ele.
“O regime no qual estamos interessados envolve poros de aproximadamente 10 nanômetros de diâmetro. Com uma membrana perfeita e um projeto de processo adequado, acreditamos que poderíamos separar solutos com apenas 5% de diferença no tamanho. As membranas atuais não têm chance de extrair isso. desligado”, disse Darling.
Num novo estudo, Darling e os seus colegas descobriram uma dinâmica que só poderia ser revelada através do estudo de membranas isoporosas, e que dá esperança de superar as limitações de transporte dificultadas. “Até agora, os cientistas presumiam implicitamente que cada soluto só teria uma tentativa de passar por um poro, e que o transporte prejudicado produziria a rejeição de muitos solutos que eram menores que o tamanho do poro, fazendo com que permanecessem na corrente de alimentação em vez de o fluxo de saída”, acrescentou Darling. “Embora possa parecer óbvio para alguns, as pessoas nunca consideraram realmente uma situação em que os solutos pudessem fazer múltiplas tentativas para atravessar uma membrana.”
Para dar às moléculas de soluto múltiplas chances de passar pelo poro, foi necessário alternar a solução de alimentação por várias semanas. “Mesmo com um longo período de experimentação, ainda vemos apenas solutos individuais tentando passar por um poro algumas vezes em média, mas isso faz uma grande diferença ao mover a curva de separação em direção a uma função semelhante a um degrau mais nítida, “Querido disse. “Dado mais tempo, ou mais provavelmente um design de processo aprimorado, acreditamos que veremos uma separação clara e nítida exatamente onde o tamanho dos poros corresponde ao tamanho do soluto.”
Os insights aprendidos com as membranas isoporosas podem ser aplicáveis aos materiais de membrana existentes, projetados para aumentar o número de oportunidades para os solutos passarem pelos poros. “Se esses estudos fundamentais puderem ser transferidos com sucesso para separações de membranas industriais, isso poderá ter um impacto tremendo em vários setores da nossa economia”, disse ele.
O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciências Básicas de Energia do DOE.
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