Científicos han desarrollado filtros que utilizan nanopartículas que limpian líquidos e incluso «filtran» virus
Publicado a las 10:11 AM CST en Nov 3,2017 | Actualizado a las 10:11 AM CST en Nov 3,2017
Las membranas de filtración son, en su núcleo, materiales esponjosos que tienen micro o nanoscópicamente poros pequeños. Los productos químicos, bacterias e incluso virus no deseados son bloqueados físicamente por el laberinto de la malla, pero líquidos como el agua pueden atravesar la malla.
El estándar actual para la fabricación de estos filtros es relativamente sencillo, pero no permite mucho movilidad en la manera de darles funcionalidad adicional. Esta es una necesidad particular cuando se trata de «biofouling». El material biológico que se supone que deben filtrar -incluyendo bacterias y virus- se adhiere a la superficie de la malla, bloqueando los poros con un residuo viscoso.
Más allá de reducir el flujo, tales biofilms pueden contaminar potencialmente cualquier líquido que pase al otro lado del filtro.
Investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pennsylvania tienen una nueva forma de hacer membranas que podrían resolver este problema. Su método les permite añadir un sinnúmero de nuevas capacidades a través de nanopartículas funcionales que se adhieren a la superficie de la malla.
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Han demostrado este nuevo proceso con membranas que bloquean bacterias y contaminantes del tamaño de un virus sin dejar que se peguen, una propiedad que aumentaría enormemente la eficiencia y vida útil del filtro.
Las membranas «antiincrustantes» que han sido probadas serían inmediatamente útiles en aplicaciones relativamente sencillas, como el filtrado de agua potable, y eventualmente podrían ser usadas en los compuestos oleosos encontrados en aguas residuales y otros contaminantes pesados.
El método de los investigadores, descrito en un artículo recientemente publicado en la revista Nature Communications, permite la utilización de membranas fabricadas con una amplia gama de polímeros y nanopartículas. Más allá de las capacidades antifouling, las futuras nanopartículas podrían catalizar reacciones con los contaminantes, destruyéndolos o incluso convirtiéndolos en algo útil.
El estudio fue dirigido por Daeyeon Lee, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Penn Engineering, y Kathleen Stebe, Vicedecana de Investigación de Penn Engineering y Profesora de Ingeniería Química y Biomolecular Richer & Elizabeth Goodwin, junto con Martin F. Haase, profesor asistente de la Universidad de Rowan que desarrolló la tecnología como investigador postdoctoral en los laboratorios de Stebe. Harim Jeon, Noah Hough y Jong Hak Kim también contribuyeron al estudio.
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El nuevo método de fabricación de membranas de los investigadores se basa en un tipo especializado de mezcla líquida conocida como «gel bicontinuo de emulsión interfacialmente atascada» o «bijel». A diferencia de las emulsiones que consisten en gotitas aisladas, tanto la fase de aceite como la fase acuosa de los bijels consisten en redes densamente entrelazadas pero completamente conectadas. Las nanopartículas introducidas en la emulsión encuentran su camino a la interfaz entre las redes de aceite y agua.
Lee, Stebe y Haase idearon previamente una nueva forma de hacer los bijels que permite una mayor gama de materiales , que describieron en un papel del 2015 en Advanced Materials. Ahora, han mostrado una manera de hacer un filtro sólido usando el mismo método.
«Sabíamos que esta tecnología era prometedora», dijo Stebe. «Parte de esa promesa se está haciendo realidad.»
Al igual que con sus anteriores bijels, este filtro comienza como una red entrelazada de agua y aceite, con una densa capa de nanopartículas que separan las dos. Pero al utilizar un aceite que puede ser polimerizado con luz ultravioleta -retráctil de moléculas individuales flotantes libres en una malla sólida 3D- los investigadores ahora son capaces de solidificar la estructura del bijel.
Críticamente, este método deja la capa densa de nanopartículas en su lugar en la superficie del polímero después de que el agua ha sido expulsada. Las formas convencionales de hacer membranas poliméricas no permiten esto.
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«Los polímeros típicamente odian las partículas y las expulsan, pero las interfaces aman las partículas y las atrapan», dijo Stebe. «La densidad de las nanopartículas en la superficie de nuestros polímeros está a través del techo. Están atascados como arena en un castillo de arena».
Los investigadores impregnaron sus filtros con nanopartículas de sílice, y los moldearon en tubos de paja. Las nanopartículas de sílice pueden ser modificadas con una amplia gama de productos químicos con diferentes funcionalidades, incluyendo la propiedad antifouling que probaron los investigadores. Demostraron sus capacidades de filtración y antifouling en agua que contenía nanopartículas de oro de varios tamaños.
«En nuestro experimento, pudimos filtrar nanopartículas de oro muy pequeñas, en tamaños equivalentes a los virus», dijo Lee. «La forma del tubo también funciona bien en la implementación a gran escala de estas membranas filtrantes. Debido a que tienen grandes proporciones de superficie-área-volumen y no se obstruyen, podemos extraer el fluido de los lados y succionar desde el extremo, permitiendo una filtración continua».
«Las membranas son típicamente materiales pasivos que no adaptan sus propiedades cuando cambian las condiciones ambientales», dijo Haase. «Un aspecto emocionante de nuestras membranas es que se pueden abrir y cerrar los poros en respuesta a una señal química. Esta característica única permite que la membrana tenga una permeabilidad controlable, lo que es útil para la separación de diferentes tipos de contaminantes del agua».
Lee también es co-investigador principal en el REACT de Penn Engineering, o Research and Education in Active Coatings Technologies for human habitat. Este programa multidisciplinario está dirigido a mejorar los refugios utilizados en el auxilio de desastres, y como tal, Lee ha interactuado con los respondedores de emergencia y proveedores de equipo, como ShelterBox.
«Cuando hablamos con la gente de ShelterBox, dijeron que más que una tienda de campaña, lo que la gente necesita es agua limpia», dijo Lee. «REACT podría hacer que estos filtros sean parte de un sistema que hace ambas cosas».
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Con varias crisis de refugiados alrededor del mundo y millones de personas sin agua potable después de que el huracán María azotara Puerto Rico, la importancia de este desarrollo no se pierde para los investigadores.
«Hay gente que necesita esta clase de tecnología tan desesperadamente.» dijo Stebe.
Referencias & Fuentes
phys.org | Engineers develop filters that use nanoparticles to prevent slime build-up
sciencenewsline.com | Penn Engineers Develop Filters That Use Nanoparticles to Prevent Slime Build-up
