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Física

Un filtro distinto

“Orificios interconectados” en membranas de óxido de grafeno ayudan a separar el agua del alcohol

Un grupo de físicos de las universidades de Campinas (Unicamp) y Federal del ABC (UFABC) realizaron simulaciones por computadora que proporcionaron una explicación para una propiedad singular existente en las membranas elaboradas con óxido de grafeno, láminas de estructura hexagonal conformadas mayoritariamente por átomos de carbono y una cantidad pequeña de átomos de oxígeno e hidrógeno. Cuando estas hojas, cuyo espesor es tan delgado como un átomo, son apiladas unas sobre otras, forman una estructura capaz de funcionar como un filtro para separar los componentes de una solución homogénea, esto es, la mezcla de dos o más líquidos cuyos componentes no son perceptibles a simple vista.

La solución que estudiaron los científicos incluía un 50% de agua y otro 50% de alcohol (etanol o metanol). Las membranas de óxido de grafeno dejaban pasar el agua y retenían el alcohol. Según el modelo teórico propuesto por los físicos, esa particularidad está dada por la formación de “orificios interconectados” entre las membranas a través de los cuales pasan las moléculas de agua en su totalidad, dejando tras de sí a las de alcohol. El funcionamiento de ese laberinto molecular que sólo atrae al agua fue descrito en un trabajo que salió publicado en la edición de febrero de la revista científica Carbon.

Las propiedades de filtrado de las membranas de óxido de grafeno son bastante conocidas a nivel experimental. “Pero ahora hemos conseguido describir en forma  más amplia y minuciosa lo que ocurre en ese proceso”, explica el físico Douglas Galvão, de la Unicamp, uno de los autores del estudio. No se trata de un filtrado mecánico, donde las moléculas de cierto tamaño atraviesan la malla de grafeno mientras que otras, con mayor tamaño, quedan retenidas. Se trata de un mecanismo que involucra atracción química. “Las membranas de óxido de grafeno se hinchan y presentan un mayor espaciado entre sus planos. De esa manera se forman canales bidimensionales que inducen el paso del agua”, dice Pedro Autreto, de la UFABC, otro de los autores del estudio.

Dentro de esos laberintos bidimensionales, la presencia de átomos de oxígeno en las láminas de grafeno provoca que los átomos de hidrógeno de las moléculas del agua formen puentes o conexiones de hidrógeno. En una mala comparación, podría decirse que es como si tan sólo las moléculas de agua se tomaran de las manos para salir del laberinto conformado por las membranas de óxido de grafeno. La eficiencia del proceso depende del grado de oxidación de las membranas. “Cuando el grafeno es puro, es decir, que está formado solamente por átomos de carbono, sin vestigios de oxígeno, se produce una inversión en la selectividad de la membrana”, comenta la física Daiane Damasceno Borges, quien realizó una pasantía de posdoctorado en la Unicamp y participó en el trabajo. “En ese caso, son las moléculas de alcohol las que atraviesan el filtro y no las de agua”, añade Cristiano Woellner, también posdoctorando en la Unicamp.

Pese a ser de carácter teórico, este trabajo puede ser de utilidad para la fabricación de nuevos tipos de filtros, más eficientes y baratos. “Simulaciones como esas posibilitan un gran control de variables y pueden encauzar el desarrollo de biocombustibles, en los cuales se requiere separar el etanol del agua”, comenta el físico Leandro Seixas, del Centro de Investigaciones Avanzadas en Grafeno, Nanomateriales y Nanotecnologías (MackGraphe), de la Universidad Presbiteriana Mackenzie, quien no intervino en el estudio.

Proyecto
Centro de Ingeniería y Ciencias Computacionales – CECC (nº 13/08293-7); Modalidad Programa Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Munir Salomão Skaf (Unicamp); Inversión R$ 18.478.546,78 (para la totalidad del proyecto).

Artículo científico
BORGES, D. D. et al. Insights on the mechanism of water-alcohol separation in multilayer graphene oxide membranes: Entropic versus enthalpic factors. Carbon. v. 127, p. 280-6. feb. 2018.

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