Nanomembranas con moléculas de poros para una filtración eficaz
El método ofrece la promesa de muchas aplicaciones posibles en las industrias química y farmacéutica
Un equipo de la Universidad de Bielefeld, la Universidad Queen Mary de Londres, el Imperial College de Londres (ambos del Reino Unido) y la Universidad Northwestern de Evanston (EE.UU.) ha producido una nueva clase de nanomembranas poliméricas con moléculas de macrociclos supramoleculares alineadas. Estas nuevas nanomembranas presentan propiedades que prometen mejorar la eficacia de los procesos de separación ampliamente utilizados en las industrias química y farmacéutica.
El profesor Dario Anselmetti, de la Universidad de Bielefeld, con un modelo de esfera de una molécula de ciclodextrina, la base de las nuevas nanomembranas. El estudiante de doctorado Niklas Biere sostiene el modelo del sensor de fuerza utilizado para explorar la membrana.
Universität Bielefeld/C. Pelargus
Las industrias químicas y farmacéuticas convencionales emplean entre el 45 y el 55% de su consumo total de energía durante la producción en separaciones moleculares. Para que estos procesos sean más eficientes, rentables, respetuosos con el medio ambiente y, por tanto, sostenibles, es necesario sustituirlos parcial o totalmente por nuevas estrategias de separación que hagan uso de tecnologías de membrana innovadoras y rompedoras.
El equipo publica sus resultados en la revista Nature y demuestra que sus nanomembranas poliméricas con macrociclos supramoleculares alineados presentan unas propiedades de filtración excelentes y extremadamente selectivas que superan a las nanomembranas poliméricas convencionales utilizadas actualmente en las industrias química y farmacéutica. Las nanomembranas poliméricas convencionales tienen una amplia distribución del tamaño de los poros que carece de una forma controlable para ser ajustada con precisión.
Los materiales de filtración habituales no son muy selectivos y, además, tienen que funcionar con un gran consumo de energía y altas presiones. Para convertir estos procesos en más eficientes desde el punto de vista energético, rentables, compatibles con el medio ambiente y, por tanto, sostenibles, es necesario desarrollar nuevos métodos de separación y filtración", afirma el profesor Dr. Dario Anselmetti, de la Facultad de Física de la Universidad de Bielefeld. Nuestras nanomembranas tienen sólo unas pocas capas moleculares de grosor, están más definidas por su arquitectura y, por tanto, son mucho más eficientes y selectivas".
El método ofrece la promesa de muchas aplicaciones posibles
En esta nueva clase de nanomembranas poliméricas, los macrociclos predefinidos molecularmente se alinean para proporcionar poros subnanométricos como una puerta de filtración muy eficaz que separa moléculas con una diferencia de tamaño tan baja como 0,2 newton-metro. Los investigadores demuestran que la disposición, la orientación y la alineación de estas pequeñas cavidades podrían realizarse mediante moléculas de macrociclos funcionalizadas selectivamente, en las que el borde superior con grupos altamente reactivos se orienta preferentemente hacia arriba durante la reacción de reticulación. La arquitectura orientada de los macrociclos en las nanomembranas pudo verificarse mediante la dispersión de rayos X de incidencia rasante (GI-WAXS). Esto permite por primera vez visualizar los poros subnanométricos de los macrociclos bajo microscopía de fuerza atómica de alta resolución en ultravacío, demostrando el concepto de explotar diferentes tamaños de nanoporos utilizando diferentes identidades de ciclodextrinas con precisión de Angstrom.
Como prueba funcional del concepto, estas nanomembranas se aplican a separaciones farmacéuticas de alto valor para enriquecer el aceite de cannabidiol (CBD), mostrando una permeabilidad al etanol y una selectividad molecular mayores que las membranas comerciales de última generación. Este novedoso concepto ofrece estrategias viables para orientar los materiales porosos en nanoporos en membranas que pueden proporcionar separaciones moleculares precisas, rápidas y energéticamente eficientes.
El Dr. Zhiwei Jiang, ahora becario del programa EPSRC Future Leadership Fellow en Exactmer Ltd. del Reino Unido, dijo: "La demanda de productos farmacéuticos derivados del CBD ha crecido rápidamente, debido a su gran eficacia en el tratamiento de la depresión, la ansiedad y el cáncer. Las actuales técnicas de vanguardia para separar las moléculas de CBD de los extractos son caras y requieren mucha energía. Las membranas pueden ofrecer una alternativa rentable y eficiente desde el punto de vista energético, pero requieren separaciones precisas entre el CBD y otros componentes naturales de dimensiones similares disueltos en el disolvente del extracto. Por lo tanto, el control preciso del tamaño de los poros de la membrana es fundamental para esta oportunidad. En nuestro trabajo, el tamaño de los poros de las membranas macrociclo alineadas puede ajustarse con precisión de Angstrom, lo que permitió un orden de magnitud mayor en el transporte de disolventes y un enriquecimiento tres veces mayor del CBD que las membranas comerciales de referencia. Esto amplía el gran potencial de aplicación de las membranas en industrias de alto valor que requieren una selectividad molecular precisa".
Hacer visibles los poros de las membranas
En la Universidad de Bielefeld, junto con Dario Anselmetti, contribuyó al estudio el estudiante de doctorado Niklas Biere. Biere trabaja con microscopía de fuerza atómica.
En su tesis, desarrolló la sofisticada técnica que permite visualizar la naturaleza de los diminutos poros del filtro en condiciones de ultravacío y a bajas temperaturas (menos 200 grados Celsius). Esto nos permitió permitir a nuestros colegas de Londres ver sus membranas en detalle, y pudimos confirmar que realmente tienen el aspecto que se sospechaba", dice Biere.
Cuando se utiliza este método, la superficie molecular de la nanomembrana se escanea con una punta ultrafina y "atómicamente afilada" de un sensor de fuerza. Este escanea la superficie y sobrescribe la naturaleza molecular de la membrana en un relieve. La imagen, creada en el ordenador del laboratorio de Bielefeld, pudo demostrar que la membrana tiene una distribución del tamaño de los poros extremadamente estrecha que difiere según la molécula de partida de ciclodextrina utilizada.
La novedosa membrana filtrante ya está disponible en formato DIN A4, por lo que su ampliación a nivel industrial puede realizarse fácilmente. Y las posibilidades de aplicación práctica son numerosas: Gracias a la tecnología de nanomembranas, esta filtración puede realizarse manualmente o con un simple sistema de calor solar", afirma Dario Anselmetti. Para Niklas Biere, la capa filtrante especializada ofrece otras aplicaciones en medicina y farmacia: "Por ejemplo, en los análisis de sangre, la diálisis o la producción de medicamentos".
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