Un team di ricercatori del CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), dell'Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), della Nanyang Technological University di Singapore e del S N Bose National Centre for Basic Sciences ha sviluppato un nuovo tipo di membrana filtrante ad alta precisione. Lo studio, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, descrive una tecnologia che potrebbe aiutare le industrie a ridurre il consumo energetico e aumentare drasticamente il riutilizzo dell'acqua.

Molte attività industriali dipendono dalla separazione di diverse sostanze l'una dall'altra. Questi processi di separazione sono essenziali per compiti come la purificazione dei farmaci, il trattamento dei coloranti tessili e la produzione alimentare. Eppure sono anche tra le operazioni più energivore nella produzione, rappresentando circa il 40-50% del consumo energetico industriale globale. La maggior parte degli impianti si affida ancora a metodi tradizionali come la distillazione e l'evaporazione. Sebbene efficaci, questi metodi richiedono grandi quantità di energia e contribuiscono significativamente alle emissioni di carbonio. La filtrazione a membrana è generalmente considerata un'alternativa più pulita, ma le membrane polimeriche convenzionali spesso contengono pori di dimensioni irregolari. Con il tempo, questi pori possono cambiare forma o degradarsi, riducendo le prestazioni e limitando la loro utilità in ambienti industriali esigenti.

"Per affrontare queste limitazioni, abbiamo progettato una nuova classe di membrane cristalline ultra-selettive chiamate 'POMbrane', che contengono pori larghi circa un nanometro, migliaia di volte più sottili di un capello umano," ha detto la Dott.ssa Shilpi Kushwaha, Scienziata Senior presso CSMCRI. Le nuove membrane traggono ispirazione da sistemi biologici come le acquaporine, che regolano il movimento delle molecole attraverso canali di dimensioni precise. Per raggiungere questo livello di controllo, i ricercatori hanno utilizzato cluster di poliossometallati (POM). Ogni cluster contiene un'apertura naturale larga esattamente 1 nanometro che rimane permanentemente stabile. Secondo la Sig.ra Priyanka Dobariya, studiosa di ricerca CSMCRI e co-primo autore dell'articolo, "Questi POM sono minuscoli cluster metallici a forma di corona che hanno un foro perfetto e permanente al centro che non cambia né perde forma, che è il più grande ostacolo con i filtri plastici tradizionali."

Creare una membrana pratica ha richiesto la disposizione di miliardi di queste minuscole strutture ad anello in uno strato continuo e privo di difetti. Per realizzare ciò, i ricercatori hanno attaccato catene chimiche flessibili ai cluster POM. Quando i cluster modificati sono stati posti sull'acqua, si sono naturalmente diffusi e organizzati in una pellicola ultrasottile di grande area. Modificando la lunghezza delle catene attaccate, il team è stato in grado di controllare quanto strettamente i cluster si impacchettassero. "Questo ha costretto le molecole ad attraversare la membrana attraverso l'unico percorso aperto, i fori da un nanometro incorporati in ogni cluster, permettendo alla membrana di agire come un setaccio high-tech," ha aggiunto il Dott. Raghavan Ranganathan, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell'IITGN. Il Dott. Ranganathan e il Sig. Vinay Thakur, dottorando presso IITGN e co-primo autore dell'articolo, hanno anche condotto simulazioni a livello molecolare che hanno rivelato come le membrane svolgono la loro funzione filtrante.

I test hanno mostrato che le membrane potevano distinguere tra molecole che differiscono di soli 100-200 Dalton, un livello di precisione estremamente difficile da ottenere con le membrane polimeriche convenzionali. Secondo il Dott. Ketan Patel, Scienziato Principale presso CSMCRI, questa capacità potrebbe creare nuove opportunità per processi produttivi più sostenibili. "Le nostre membrane mostrano prestazioni di separazione quasi dieci volte migliori rispetto alle tecnologie esistenti, rimanendo flessibili, stabili e scalabili," ha detto. "Inoltre, queste membrane sono flessibili, stabili a diversi livelli di acidità (intervalli di pH) e possono essere prodotte in grandi fogli. Questa combinazione è essenziale se le membrane devono essere adottate su larga scala nell'industria."