Las propiedades únicas de los metamateriales se han utilizado para ocultar objetos de la luz y ocultarlos de la vibración, las ondas de presión y el calor. Ahora, un investigador del Instituto de Tecnología de Georgia quiere agregar otro uso para los metamateriales: crear una nueva técnica de separación direccionalque oculta un compuesto mientras concentra el otro.
Aunque la idea aún debe demostrarse experimentalmente, los investigadores creen que manipular la transferencia de masa usando metamateriales podría ayudar a reducir la energía requerida para ciertos procesos químicos y biomoleculares. La técnica propuesta utilizaría materiales poliméricos especialmente diseñados para dirigir el flujo de átomos medianteaprovechando sus propiedades físicas específicas.
Una explicación detallada de cómo se podría usar la técnica para separar una mezcla de nitrógeno y oxígeno, ocultando el nitrógeno y concentrando el oxígeno, se informó el 25 de febrero en la revista Informes científicos . La investigación fue apoyada por una subvención de semillas de la American Chemical Society.
"Controlaremos cómo los átomos cruzan el metamaterial, en qué dirección irán", dijo Martin Maldovan, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech y la Escuela de Física ". Diseñando la difusividad de los metamateriales, podemos hacer que los átomos de un compuesto vayan en una dirección, y los átomos de otro compuesto vayan en otra dirección. Estamos manipulando las propiedades físicas para controlar la dirección que toman los átomos a través de la capa metamaterial ".
Maldovan y el Asistente de Investigación de Posgrado Juan Manuel Restrepo-Flórez han evaluado su metamaterial utilizando técnicas computacionales, y planean construir un prototipo de dispositivo de separación este verano. El trabajo podría tener aplicaciones en áreas tales como fabricación de productos químicos, crecimiento de cristales de semiconductores, recuperación de residuosde solutos biológicos o químicos, y producción de riñones artificiales.
La técnica del metamaterial podría complementar las membranas tradicionales, que controlan el paso de los químicos variando la solubilidad y la difusividad. Similar en principio a otros metamateriales, la técnica de transferencia de masa puede dirigir los químicos alrededor del caparazón o concentrarlos dentro del caparazón.
"Dentro de la capa metamaterial, puede decirle a un átomo que haga una cosa, y a otro átomo que haga otra cosa", dijo Maldovan. "Nuestros metamateriales controlarán el flujo porque son anisotrópicos; la estructura favorece ciertas direcciones. Estamos controlando a dónde van los átomos "
El plan de Maldovan para los metamateriales de transferencia de masa utiliza cuatro tipos diferentes de polímeros, dos con alta difusividad y dos con baja difusividad. El tamaño y el patrón de los bloques hechos de cada material está determinado por algoritmos matemáticos.
explicó: "Con este metamaterial, podemos controlar la dirección en que pueden ir los átomos usando el truco de la anisotropía", explicó. "Esto sería además de la separación basada en la solubilidad y la difusividad. Hemos agregado un parámetro importante a la caja de herramientas deingenieros químicos: dónde enviar los átomos "
Además de separar átomos, la capacidad de los metamateriales para concentrar átomos podría permitir que los sensores detecten cantidades más diluidas, amplificando esencialmente la señal química disponible.
En su artículo, los investigadores muestran cómo separar una mezcla 50-50 de nitrógeno y oxígeno usando polímeros disponibles que tienen las propiedades necesarias. Cada tipo de separación requerirá polímeros con diferentes propiedades, no todos los cuales están disponibles en materiales existentes, lo que significa que no todas las mezclas químicas o biomoleculares serán susceptibles de separación con la nueva técnica.
El nuevo proceso de separación no reemplazará los procesos tradicionales de destilación y separación de membrana, pero podría complementarlos, dijo Maldovan.
"La destilación y la evaporación requieren mucha energía, pero son los caballos de batalla de la industria química", dijo. "Los procesos de membrana se han desarrollado para reducir el uso de energía. Nuestro objetivo es proporcionar una técnica que use aún menos energía. Estopodría conducir a membranas mejores y más eficientes que proporcionarían una mejor separación "
Los metamateriales finalmente tendrán que fabricarse a escala de micras para que sean efectivos. Pero Maldovan dice que los prototipos se pueden hacer usando estructuras más grandes, a escala de centímetros, para demostrar el proceso.
"Necesitamos primero fabricarlos, luego optimizar el diseño", dijo. "Sabemos lo que hay que fabricar, por lo que los esfuerzos futuros combinarán diseño, fabricación y optimización".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Original escrito por John Toon. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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