Hoy exploraremos una innovadora técnica desarrollada por el Instituto Adolphe Merkle (AMI) para crear membranas biomiméticas ultrafinas que convierten energía. Este avance promete aplicaciones significativas en sectores críticos como la energía, la desalinización de agua, la medicina y el tratamiento de aguas. La importancia de este tema radica en su potencial para revolucionar estos sectores mediante soluciones más eficientes y sostenibles, abordando necesidades esenciales como el acceso a energía limpia, agua potable y avances médicos.
Desarrollo de membranas biomiméticas
Investigadores del AMI han creado una nueva técnica para producir membranas biomiméticas ultrafinas que imitan las membranas biológicas. Esta técnica utiliza un sistema de dos fases acuosas para formar y estabilizar estas membranas. Las membranas, de solo 35 nanómetros de grosor, pueden cubrir áreas mayores a 10 centímetros cuadrados sin defectos.
Estas membranas biomiméticas se estabilizan mediante interacciones favorables entre soluciones acuosas inmiscibles. Este enfoque permite crear estructuras autoensambladas ultradelgadas, ampliando considerablemente las áreas que se pueden cubrir sin defectos. La estabilidad y durabilidad de estas membranas se deben a la utilización de copolímeros en bloque (BCP). Los BCP, que consisten en segmentos de polímeros distintos, forman una bicapa en la interfaz de las dos fases, exhibiendo propiedades mecánicas notables y capacidades de auto-sanación.
Las membranas se estabilizan gracias a interacciones favorables entre soluciones acuosas inmiscibles.
Propiedades y mecanismo de función
Las membranas desarrolladas replican funciones de transporte iónico selectivo de las membranas celulares naturales. Al incorporar el transportador iónico valinomicina, logran una alta selectividad para iones de potasio sobre sodio. La valinomicina es un péptido cíclico hidrofóbico que se acumula en el núcleo hidrofóbico de la membrana y facilita el transporte de iones de potasio.
Las membranas son capaces de generar electricidad a partir de soluciones equimolares de NaCl y KCl. Este mecanismo está inspirado en los órganos eléctricos de las rayas, unos peces eléctricos que utilizan principios similares para generar energía. Las membranas muestran una resistencia específica que se aproxima a la de las membranas de fosfolípidos, y su fluidez permite una fácil funcionalización con transportadores moleculares.
Las membranas generan electricidad como los peces eléctricos.
Método de desplazamiento de solvente
El enfoque empleado para formar estas membranas biomiméticas implica el método de desplazamiento de solvente. Este método se basa en la acumulación de BCP en la interfaz de un sistema de dos fases acuosas (ATPS). El ATPS se forma cuando soluciones acuosas inmiscibles de polímeros químicamente incompatibles interactúan. La tensión interfacial extremadamente baja del ATPS proporciona una contribución estabilizadora significativa una vez formada la membrana.
El proceso comienza con la colocación de una solución de dextrano (DEX) en un recipiente, seguida de una solución de BCP en un solvente orgánico inmiscible como el tolueno. Luego, se añade suavemente una solución de polietileno glicol (PEO) encima de la fase de tolueno. Esto desplaza el solvente orgánico hacia arriba, formando una bicapa de BCP en la interfaz entre las fases acuosas.
El proceso forma una bicapa de copolímeros en bloque (BCP)
Características de autoregeneración
Las membranas biomiméticas ATPS estabilizadas no solo son ultrafinas y estables, sino que también poseen capacidades de auto-sanación. Estas membranas pueden repararse repetidamente después de daños mecánicos. Los experimentos han demostrado que las membranas pueden auto-repararse de perforaciones realizadas con electrodos y recuperar su funcionalidad sin pérdida significativa de propiedades.
La capacidad de auto-sanación se atribuye a la fluidez de los BCP en la bicapa, lo que permite la reconstitución de la estructura tras sufrir daños. Esta propiedad es crucial para aplicaciones prácticas donde la integridad de la membrana es vital para su rendimiento a largo plazo.
La autoregeneración se debe a la fluidez de los copolímeros.
Aplicaciones potenciales
En el campo del almacenamiento de energía, estas membranas podrían facilitar el desarrollo de dispositivos a gran escala para almacenar energía eléctrica. En la desalinización de agua, podrían proporcionar barreras altamente selectivas que separan eficientemente los iones del agua. Además, su capacidad de auto-sanación las hace ideales para aplicaciones en condiciones adversas donde las membranas pueden sufrir daños mecánicos frecuentes.
Conclusión
Las membranas desarrolladas por el AMI presentan una combinación única de durabilidad, autoensamblaje y funcionalidad selectiva. Estas características abren nuevas posibilidades en el tratamiento de aguas y almacenamiento de energía. Con su capacidad para auto-sanarse y su alta selectividad iónica, estas membranas representan un avance significativo hacia soluciones más sostenibles y eficientes en múltiples industrias. La investigación continua en este campo promete seguir desafiando y ampliando los límites de la tecnología de membranas.
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