Transportul surprinzător de rapid pe membranele de nanotuburi de carbon poate promova sănătatea umană

Reprezentarea artistică a pătrunderii ionilor rapizi în interiorul nanotuburilor de carbon cu pereți unici. Ionii mici, cum ar fi potasiu, clorură și sodiu, pătrund prin volumul intern al nanotuburilor de carbon de-a lungul nanometrului la viteze care depășesc difuzia în apă în vrac cu un ordin de mărime. Credit: Imagine de Francesco Fornasiero / LLNL.

Cercetătorii de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) au descoperit că porii membranelor din nanotuburi de carbon pot permite procese de dializă ultrarapide care ar reduce considerabil timpul de tratament pentru pacienții cu hemodializă.

Capacitatea de a descompune componentele moleculare în soluții complexe este esențială pentru multe procese biologice și artificiale. O modalitate este prin aplicarea unui gradient de concentrație pe o membrană poroasă. Aceasta direcționează ionii sau moleculele mai mici decât diametrele porilor de la o parte a membranei la cealaltă blocând tot ceea ce este prea mare pentru a intra prin pori.

În natură, membranele biologice, cum ar fi cele din rinichi sau ficat, pot efectua filtrări complexe, menținând în același timp un randament ridicat. Cu toate acestea, membranele sintetice se luptă adesea cu un compromis cunoscut între selectivitate și permeabilitate. Aceleași proprietăți materiale care dictează ceea ce poate și nu poate trece prin membrană reduc inevitabil viteza la care poate avea loc filtrarea.

Într-o descoperire uimitoare publicată în jurnal Științe avansateCercetatorii LLNL au descoperit ca porii nanotuburilor de carbon (cilindrii de grafit de mii de ori mai mici in diametru decat parul uman) ar putea oferi o solutie pentru schimbul permeabilitatii fata de selectivitate. Când s-a folosit un gradient de concentrație ca forță motrice, s-a constatat că ionii mici, precum potasiu, clorură și sodiu, se dispersează prin acești pori mici mai mult decât un ordin de mărime mai rapid decât atunci când se deplasează în soluții mari.

„Acest rezultat a fost neașteptat, deoarece consensul general din literatură este că rata de difuzie în porii de acest diametru ar trebui să fie egală sau mai mică decât cea pe care o vedem în bloc”, a spus Steven Buchsbaum, autorul principal al lucrării.

„Descoperirea noastră îmbogățește numărul de fenomene nanofluidice interesante și adesea neînțelese descoperite recent în izolarea mai multor nanometri”, a adăugat Francesco Fornasiero, cercetătorul principal al proiectului.

Echipa consideră că această activitate are implicații importante în mai multe domenii ale tehnologiei. Membranele care utilizează nanotuburi de carbon ca canale de transport pot permite procese de hemodializă ultra-rapide care ar reduce considerabil timpul de tratament. În mod similar, costul și timpul pentru purificarea proteinelor și a altor biomolecule, precum și recuperarea produselor valoroase din soluțiile de electroliți pot fi reduse drastic. Transportul de ioni îmbunătățit în porii graficați mici poate permite supercondensatoare cu densitate mare de energie, chiar și în dimensiuni ale porilor apropiate de cele ionice.

Pentru efectuarea acestor studii, echipa a folosit membrane pre-dezvoltate care permit transportul să aibă loc numai prin golul din interiorul nanotuburilor de carbon căptușite cu mai multe diametre nanometrice. Folosind o celulă de difuzie convențională, s-a aplicat un gradient de concentrație pe aceste membrane și s-au măsurat viteza de transport a diferitelor săruri și apă. “Am dezvoltat teste riguroase de control pentru a ne asigura că nu a existat altă explicație posibilă pentru fluxurile mari de ioni înregistrate, cum ar fi transportul care are loc prin scurgeri sau defecte în membranele noastre”, a spus Buchsbaum.

Pentru a înțelege mai bine de ce apare acest comportament, echipa a apelat la ajutorul mai multor experți LLNL. Anh Pham și Ed Lau au folosit simulări computaționale, iar April Sawvel a folosit spectroscopia de rezonanță magnetică nucleară pentru a studia mișcarea ionilor în nanotuburile de carbon. Mai multe explicații posibile au fost excluse cu succes, făcând imaginea mai clară. Cu toate acestea, o înțelegere completă și cantitativă a nivelurilor de transport observate este încă în curs de dezvoltare.

Referință: „Propagarea rapidă a ionilor mici în nanotuburile de carbon” de Steven F. Buchsbaum, Melinda L. Jue, April M. Sawvel, Chiatai Chen, Eric R. Meshot,
Sei Jin Park, Marissa Wood, Kuang Jen Wu, Camille L. Bilodeau, Fikret Aydin, Tuan Anh Pham, Edmond Y. Lau și Francesco Fornasiero, 20 decembrie 2020, Științe avansate.
DOI: 10.1002 / consiliu.202001802

Alți colaboratori la această lucrare includ Melinda Jue, Chiatai Chen, Eric Meshot, Sei Jin Park, Marissa Wood și Kuang Jen Wu de la LLNL și Camille Bilodeau de la Institutul Politehnic Rensselaer. Această lucrare a fost susținută de Departamentul de Tehnologii Chimice și Biologice al Agenției de Reducere a Amenințării Apărării în „Materiale multifuncționale dinamice pentru o a doua piele D[MS]2”Programe.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Un model agresiv bazat pe piață pentru dezvoltarea energiei de cuplare

Conceptul ARC Fusion Pilot Plant a fost dezvoltat la MIT ca o demonstrație a potențialului magneților supraconductori de temperatură înaltă de a reduce costurile...

Sug este mai important în cercetare decât potrivirea corectă a măștilor de față COVID

O echipă de cercetători care studiază eficacitatea diferitelor tipuri de măști de față a constatat că este cea mai bună protecție împotriva acesteia COVID-19,...

ADN origami folosit pentru monitorizarea direcționării genelor CRISPR

Imagine cu microscopie electronică a brațelor rotorului ADN origami, „L” portocaliu slab atașat la particulele de culoare mov. Credit: Imagine datorită Julene Madariaga...

Tatuaje inteligente OLED: inginerii creează tatuaje care emit lumină

Echipamente pentru tatuaje OLED. Credit: Barsotti - Institutul italian de tehnologie Oamenii de știință de la UCL și IIT -Istituto Italiano di Tecnologia (Institutul...

Modelele lui Moiré facilitează descoperirea unor faze izolatoare noi neașteptate

Formarea modelului moire de către doi faguri în fagure. Credit: Microwave Nano-Electronics Lab, UC Riverside Un studiu condus de UC Riverside a observat faze...

Newsletter

Subscribe to stay updated.