Entender mejor las membranas

Una nueva clase de membranas promete aplicaciones muy interesantes en la separación de materiales, ya sea en biotecnología o en la depuración de aguas

28.05.2021 - Alemania

Sin embargo, la comprensión teórica de estas membranas poliméricas sigue siendo incompleta. Dos investigadores del Helmholtz-Zentrum Hereon y de la Universidad de Gotinga presentan ahora un estudio, publicado en la prestigiosa revista científica Chemical Reviews, que identifica estas lagunas de conocimiento y muestra enfoques prometedores para resolverlas.

Ya sea en la desalinización, la depuración del agua o la separación del CO2, las membranas desempeñan un papel fundamental en la tecnología. El Helmholtz-Zentrum Hereon lleva varios años trabajando en una nueva variante: consiste en polímeros especiales que forman poros del mismo tamaño en la escala nanométrica. Los materiales a separar, como ciertas proteínas, pueden deslizarse literalmente a través de estos poros. Como estas capas de separación son muy finas y, por tanto, muy frágiles, se unen a una estructura esponjosa con poros mucho más gruesos, lo que proporciona a la estructura la estabilidad mecánica necesaria.

"Un aspecto especial es que estas estructuras se forman en un acto de autoorganización", afirma el profesor Volker Abetz, director del Instituto Hereon de Investigación de Membranas y profesor de química física de la Universidad de Hamburgo. "A diferencia de otras membranas comparables, que se fabrican parcialmente mediante un complejo proceso con aceleradores de partículas, esto promete una producción relativamente económica". Dado que las membranas poliméricas combinan un alto rendimiento con una fuerte selectividad de separación, podrían ser interesantes en el futuro para la biotecnología y la producción farmacéutica, pero también para el tratamiento de aguas residuales, como por ejemplo, para filtrar tintes no deseados.

Avances mediante simulaciones por ordenador

En los últimos años, los expertos han avanzado mucho en el desarrollo de estas nuevas membranas. Sin embargo, para adaptarlas a aplicaciones específicas, todavía falta una comprensión teórica exhaustiva. "Hasta ahora ha habido mucho de ensayo y error, así como de intuición", dice Abetz. "Ahora se trata de comprender fundamentalmente estos sistemas en la medida de lo posible". Por ello, Marcus Müller, profesor de física teórica de la Universidad de Gotinga, y Volker Abetz han publicado un artículo de revisión en la revista científica Chemical Reviews. El trabajo resume el estado actual de los conocimientos en el campo de las membranas poliméricas e identifica los enfoques de investigación más prometedores que pueden colmar las lagunas de conocimiento existentes.

Las simulaciones por ordenador desempeñan un papel importante en este sentido: permiten modelar digitalmente y con detalle lo que ocurre durante el proceso de fabricación. "El problema es que estos procesos son excesivamente complejos y nos enfrentamos a escalas de tiempo y longitud completamente diferentes", explica Müller. "Y todavía no hemos podido abarcar todas estas escalas con una sola descripción". Sin embargo, existen modelos informáticos que pueden simular aspectos individuales. Mientras que algunos de estos modelos describen el comportamiento de moléculas de polímero individuales, otros reproducen la membrana en una cuadrícula mucho más gruesa. Hasta ahora, estos diferentes enfoques sólo se han relacionado de forma bastante débil, y la descripción de la secuencia temporal de los distintos procesos también supone un reto. Para una comprensión más profunda, sería beneficioso que los modelos estuvieran mejor interconectados de lo que están ahora.

Membranas de polímero desde el tablero de dibujo

"La producción de membranas poliméricas puede compararse con la elaboración de un suflé", afirma Müller. "En ambos casos se trata de estabilizar los poros diminutos que importan, antes de que todo se derrumbe de nuevo". Uno de los aspectos que no está claro es cómo y si la formación simultánea de la capa de separación y la capa portadora se influyen mutuamente y cómo se puede controlar. Otra cuestión se refiere a cómo se pueden disponer y alinear los poros de forma que permitan el mayor caudal posible a través de la membrana, un criterio decisivo para la rentabilidad de la misma. "Afortunadamente, tanto los ordenadores como los modelos son cada vez mejores, lo que debería facilitar un progreso considerable", añade Müller. "Podemos acceder al superordenador JUWELS de Jülich, que es uno de los más rápidos del mundo". Los algoritmos de aprendizaje automático también podrían ayudar en el futuro; podría haber un potencial no descubierto aquí.

Sin embargo, no sólo hace falta teoría. También hay que trabajar en los experimentos. "Una gran incógnita, por ejemplo, es la humedad", explica Abetz. "Sabemos que puede influir decisivamente en la formación de una membrana de polímero. Pero para entender mejor esta influencia, necesitamos pruebas sistemáticas". Si se pueden superar obstáculos como éste, se acercará un poco más el objetivo de la investigación a largo plazo: "Nuestro sueño es diseñar y optimizar una membrana de polímero para una aplicación específica como un "gemelo digital" en el ordenador primero, para que luego se pueda producir de forma dirigida en el laboratorio", dice Abetz. "Y tal vez podamos incluso descubrir estructuras totalmente nuevas en el ordenador, que nunca habríamos encontrado en el experimento".

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