La diálisis, en el sentido más general, es el proceso por el cual las moléculas se filtran de una solución, al difundirse a través de una membrana, en una solución más diluida. Fuera de la hemodiálisis, que elimina los desechos de la sangre, los científicos usan diálisis para purificar medicamentos, elimine los residuos de las soluciones químicas y aísle las moléculas para el diagnóstico médico, generalmente permitiendo que los materiales pasen a través de una membrana porosa.
Las membranas de diálisis comerciales de hoy en día separan las moléculas lentamente, en parte debido a su composición: son relativamente gruesas, y los poros que atraviesan esas membranas densas lo hacen en caminos sinuosos, lo que dificulta el paso rápido de las moléculas objetivo.
Ahora los ingenieros del MIT han fabricado una membrana de diálisis funcional a partir de una lámina de grafeno, una sola capa de átomos de carbono, unida de extremo a extremo en una configuración hexagonal como la del alambre de pollo. La membrana de grafeno, aproximadamente del tamaño de una uña, esmenos de 1 nanómetro de grosor las membranas más delgadas existentes tienen aproximadamente 20 nanómetros de grosor. La membrana del equipo puede filtrar moléculas de tamaño nanométrico de soluciones acuosas hasta 10 veces más rápido que las membranas de última generación, con elel grafeno mismo es hasta 100 veces más rápido.
Si bien el grafeno se ha explorado en gran medida para aplicaciones en electrónica, Piran Kidambi, un postdoc en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que los hallazgos del equipo demuestran que el grafeno puede mejorar la tecnología de membrana, particularmente para los procesos de separación a escala de laboratorio y potencialmente para la hemodiálisis.
"Debido a que el grafeno es tan delgado, la difusión a través de él será extremadamente rápida", dice Kidambi. "Una molécula no tiene que hacer este tedioso trabajo de atravesar todos estos poros tortuosos en una membrana gruesa antes de salir del otro lado.Mover el grafeno a este régimen de separación biológica es muy emocionante ".
Kidambi es el autor principal de un estudio que informa sobre la tecnología, publicado en Materiales avanzados . Seis coautores son del MIT, incluidos Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica, y Jing Kong, profesor asociado de ingeniería eléctrica.
Taponamiento de grafeno
Para hacer la membrana de grafeno, los investigadores utilizaron primero una técnica común llamada deposición química de vapor para hacer crecer el grafeno en una lámina de cobre. Luego grabaron cuidadosamente el cobre y lo transfirieron a una lámina de soporte de policarbonato, tachonado con poros lo suficientemente grandes.para dejar pasar cualquier molécula que haya pasado a través del grafeno. El policarbonato actúa como un andamio, evitando que el grafeno ultrafino se enrolle sobre sí mismo.
Los investigadores buscaron convertir el grafeno en un tamiz molecularmente selectivo, dejando pasar solo moléculas de cierto tamaño. Para hacerlo, crearon pequeños poros en el material al exponer la estructura al plasma de oxígeno, un proceso por el cual se bombea oxígenouna cámara de plasma, puede grabar en los materiales.
"Al ajustar las condiciones de plasma de oxígeno, podemos controlar la densidad y el tamaño de los poros que fabricamos, en las áreas donde el grafeno es prístino", dice Kidambi. "Lo que sucede es que un radical oxígeno llega a un átomo de carbono [engrafeno] y reacciona rápidamente, y ambos salen volando como dióxido de carbono ".
Lo que queda es un pequeño agujero en el grafeno, donde una vez estuvo un átomo de carbono. Kidambi y sus colegas descubrieron que cuanto más tiempo esté expuesto el grafeno al plasma de oxígeno, más grandes y más densos serán los poros. Tiempos de exposición relativamente cortos,de aproximadamente 45 a 60 segundos, generan poros muy pequeños.
defectos deseables
Los investigadores probaron múltiples membranas de grafeno con poros de diferentes tamaños y distribuciones, colocando cada membrana en el medio de una cámara de difusión. Llenaron el 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 vitamina B12 1 a 1,5 nanómetros y 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 luego midió el flujo de moléculas a medida que se difundían a través de cada membrana de grafeno.
Las membranas con poros muy pequeños dejan pasar el cloruro de potasio pero no moléculas más grandes como el L-triptófano, que mide solo 0.2 nanómetros más de ancho. Las membranas con poros más grandes dejan pasar moléculas correspondientemente más grandes.
El equipo realizó experimentos similares con membranas de diálisis comerciales y descubrió que, en comparación, las membranas de grafeno se desempeñaban con una "permeabilidad" más alta, filtrando las moléculas deseadas hasta 10 veces más rápido.
Kidambi señala que el soporte de policarbonato está grabado con poros que solo ocupan el 10 por ciento de su área de superficie, lo que limita la cantidad de moléculas deseadas que finalmente pasan a través de ambas capas.
"Solo el 10 por ciento del área de la membrana es accesible, pero incluso con ese 10 por ciento, podemos hacerlo mejor que el estado de la técnica", dice Kidambi.
Para mejorar aún más la membrana de grafeno, el equipo planea mejorar el soporte de policarbonato al grabar más poros en el material para aumentar la penetración general de la membrana. También están trabajando para ampliar aún más las dimensiones de la membrana, que actualmente mide 1centímetro cuadrado: ajustar aún más el proceso de plasma de oxígeno para crear poros a medida también mejorará el rendimiento de una membrana, algo que Kidambi señala que tendría consecuencias muy diferentes para el grafeno en aplicaciones electrónicas.
"Lo que es emocionante es que lo que no es bueno para el campo de la electrónica es realmente perfecto en este campo [de diálisis de membrana]", dice Kidambi. "En electrónica, desea minimizar los defectos. Aquí desea hacer defectos del tamaño correcto.Muestra que el uso final de la tecnología dicta lo que quieres en la tecnología. Esa es la clave ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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