El material puede filtrar moléculas de tamaño nanométrico en 10 a 100 veces la tasa de membranas comerciales.
La diálisis, en el sentido más general, es el proceso por el cual las moléculas de filtro de una solución, por difunde a través de una membrana, en una solución más diluida. Fuera de la hemodiálisis, que elimina los residuos de la sangre, los científicos usan diálisis para purificar las drogas, quitar los residuos de soluciones químicas, y aislar moléculas para el diagnóstico médico, típicamente por dejar que los materiales pasan a través de una membrana porosa.
membranas de diálisis comerciales de hoy moléculas separadas lentamente, en parte debido a su composición: son relativamente gruesa, y los poros que túnel a través de tales membranas densas hacerlo en caminos sinuosos, por lo que es difícil para las moléculas diana a pasar rápidamente a través.
Ahora los ingenieros del MIT han fabricado una membrana funcional de diálisis a partir de una hoja de grafeno – una sola capa de átomos de carbono, de extremo a extremo en la configuración hexagonal como la de alambre de pollo vinculado. La membrana de grafeno, aproximadamente del tamaño de una uña, es inferior a 1 nanómetro de espesor. (Los memranes existentes más delgadas son alrededor de 20 nanómetros de espesor.) Membrana del equipo es capaz de filtrar las moléculas de tamaño nanométrico de soluciones acuosas de hasta 10 veces más rápido que las membranas del estado de la técnica, con el grafeno sí mismo ser de hasta 100 veces más rápido.
Mientras que el grafeno en gran medida ha sido explorado para aplicaciones en electrónica, Piran Kidambi, un post-doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que los resultados del equipo demuestran que el grafeno puede mejorar la tecnología de membranas, en particular para los procesos de separación a escala de laboratorio y potencialmente para la hemodiálisis.
“Debido a que el grafeno es tan delgada, la difusión a través de ella será muy rápido”, dice Kidambi. “Una molécula no tiene que hacer este trabajo tedioso de ir a través de todos estos poros tortuosos en una membrana de espesor antes de salir del otro lado. Mover el grafeno en este régimen de separación biológica es muy emocionante “.
Kidambi es un autor principal de un estudio que informó la tecnología, publicado hoy en Advanced Materials . Seis coautores son del MIT, incluyendo Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica, y Jing Kong, profesor asociado de ingeniería eléctrica.
Grafeno
Para hacer que la membrana de grafeno, los investigadores utilizaron por primera vez una técnica común que se llama deposición de vapor químico para crecer grafeno en lámina de cobre. A continuación, grabadas con cuidado el cobre y transfirieron el grafeno a una hoja de soporte de policarbonato, tachonada en todo con poros lo suficientemente grandes como para dejar pasar cualquier molécula que han pasado por el grafeno. El policarbonato actúa como un armazón para mantener el grafeno ultrafino se enrolle sobre sí misma.
Los investigadores observaron a girar grafeno en un tamiz selectivo molecularmente, dejando sólo a través de moléculas de un cierto tamaño. Para ello, crearon pequeños poros en el material mediante la exposición de la estructura de plasma de oxígeno, un proceso por el cual el oxígeno, se bombea en una cámara de plasma, se puede grabar de distancia en materiales.
“Al ajustar las condiciones de plasma de oxígeno, podemos controlar la densidad y el tamaño de los poros que hacemos, en las áreas donde el grafeno es prístino,” dice Kidambi. “Lo que sucede es, un radical de oxígeno llega a un átomo de carbono [en el grafeno] y rápidamente reacciona, y ambos volar fuera como dióxido de carbono.”
Lo que queda es un pequeño agujero en el grafeno, donde un átomo de carbono una vez que se sentó. Kidambi y sus colegas encontraron que el grafeno ya está expuesto al plasma de oxígeno, los más grandes y más densos que los poros estarán. Relativamente tiempos de exposición cortos, de alrededor de 45 a 60 segundos, generan poros muy pequeños.
Los investigadores probaron múltiples membranas de grafeno con poros de diferentes tamaños y distribuciones, la colocación de cada membrana en el medio de una cámara de difusión. Se llenaron lado de alimentación de la cámara con una solución que contiene varias mezclas de moléculas de diferentes tamaños, que van desde cloruro de potasio (0,66 nanómetros de ancho) a la vitamina B12 (1 a 1,5 nanómetros) y la lisozima (4 nanómetros), una proteína que se encuentra en la clara de huevo. El otro lado de la cámara se llenó con una solución diluida.
El equipo mide entonces el flujo de moléculas a medida que difunde a través de cada membrana de grafeno.
Las membranas con poros muy pequeños permiten a través de cloruro de potasio, pero las moléculas de no más grandes tales como L-triptófano, que mide sólo 0,2 nanómetros más amplio. Las membranas con poros más grandes permiten a través de moléculas correspondientemente más grandes.
El equipo llevó a cabo experimentos similares con membranas de diálisis comerciales y se encontró que, en comparación, las membranas de grafeno realizaron con mayor “permeancia”, el filtrado de las moléculas deseadas de hasta 10 veces más rápido.
Kidambi señala que el soporte de policarbonato está grabado con poros que sólo tienen hasta 10 por ciento de su área de superficie, lo que limita la cantidad de moléculas deseadas que pasan finalmente a través de ambas capas.
“Sólo el 10 por ciento de la superficie de la membrana es accesible, pero a pesar de que el 10 por ciento, somos capaces de hacerlo mejor que el estado de la técnica”, dice Kidambi.
Para hacer que la membrana de grafeno aún mejor, el equipo planea mejorar el soporte de policarbonato mediante grabado más poros en el material para aumentar la permeabilidad al total de la membrana. También están trabajando a una escala aún mayor de las dimensiones de la membrana, que en la actualidad mide 1 centímetro cuadrado. sintonizar aún más el proceso de plasma de oxígeno para crear poros a medida que también mejorará el rendimiento de una membrana – algo que Kidambi señala tendría consecuencias muy diferentes para el grafeno en aplicaciones de electrónica.
“Lo que es interesante es, lo que no es bueno para el campo de la electrónica es realmente perfecto en este campo [membrana de diálisis],” dice Kidambi. “En electrónica, desea minimizar los defectos. Aquí desea hacer defectos del tamaño correcto. Se va a mostrar el uso final de la tecnología dicta lo que quiere en la tecnología. Esa es la clave “.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Departamento de Energía de Estados Unidos y una Lindemann Fiduciario para becas.
Fuente: MIT