Los capilares más estrechos se ajustan solo a moléculas de agua individuales, mientras que las sales están excluidas
A la altura de un solo átomo de carbono, los capilares de grafeno fabricados por un equipo internacional de investigadores podrían ser los tubos más pequeños jamás fabricados. Los conductos son tan estrechos que solo caben las moléculas de agua, pero ni siquiera los iones de sal más pequeños. Ampliados, pueden ser membranas de desalinización ideales.
«Queríamos imitar el tamaño de los canales de proteínas naturales llamados acuaporinas, que controlan el movimiento del agua a través de las paredes celulares«, dice Radha Boya, de la Universidad de Manchester, Reino Unido, quien dirigió el trabajo junto con el descubridor del grafeno Andre Geim .
La forma del reloj de arena de Aquaporins es, en su punto más estrecho, solo tan ancha como una sola molécula de agua, lo que significa que bloquean todo lo demás. Pero hacer tubos atómicamente estrechos con materiales sintéticos ha resultado ser un desafío. El equipo de Geim había hecho anteriormente capilares de 6 Å. Pero muchos iones solvatados tienen alrededor de 7Å de diámetro. Simplemente apretando sus cubiertas de solvatación, podrían pasar a través de los canales sin mucha resistencia.
«Hemos reducido el tamaño en un factor de dos y se ha vuelto completamente impermeable incluso a las sales más pequeñas; hemos alcanzado el tamaño crítico«, dice Geim.
La membrana está hecha de varias tiras de grafeno de una sola capa, que actúan como pilares intercalados entre dos cristales de grafito o nitruro de boro atómicamente lisos. El espacio entre los cristales es, por lo tanto, la altura de un solo átomo de carbono, alrededor de 3.4Å. Cada capilar mide alrededor de 130nm de ancho y varios micrómetros de largo.
Incluso los iones pequeños e hidratados como el potasio, el sodio o el cloruro son demasiado grandes para pasar por los canales. Solo los iones de hidrógeno (protones) pueden pasar a través de la membrana, una prueba más de que los protones se mueven de manera diferente a otros iones, saltando de una molécula de agua a la siguiente.
Pero el material es interesante por otra razón: cuando el agua se exprime a una sola capa atómica, «algo bastante extraño continúa», dice Geim.
El agua plana tiene «una estructura fundamentalmente diferente a su volumen», dice Boya. Se vuelve más estructurado, formando una fase descrita previamente como hielo cuadrado. Pierde sus propiedades dieléctricas que generalmente hacen que el agua sea un buen solvente y se vuelve casi no polarizable.
Es emocionante ver un estudio que ayuda a «comprender el transporte molecular en la escala hasta el límite teórico: un solo átomo«, afirma el investigador de membranas Wanqin Jin de la Universidad de Nanjing Tech en China. «Las ideas de este estudio serían interesantes para la separación de membranas, baterías y biofluidos«.
Se podría usar una versión ampliada de la membrana para la desalinización , haciendo que el agua potable se consuma de suministros salados o contaminados. «La eficiencia de filtración es mayor con las membranas de exclusión de tamaño que con las membranas de ósmosis inversa comunes [utilizadas en la mayoría de las plantas de desalinización]«, explica Boya.
Pero Petr Král , quien estudia el movimiento de fluidos en nanoporos de grafeno en la Universidad de Illinois en Chicago, EE. UU., No cree que la desalinización sea la aplicación más obvia. «En este material, el agua no puede pasar muy rápido, es demasiado confinada, demasiado viscosa«, dice.
«La transferencia de protones, sin embargo, es única», continúa Král. «Podrías tener una membrana semipermeable que equilibraría la proporción de protones en dos lados pero que no pasaría ningún ión. Ni siquiera creo que exista ese tipo de membrana«.
Referencias: K Gopinadhan et al , Science , 2018, 363 , 145 (DOI: 10.1126 / science.aau6771)
