Un equipo de investigadores, dirigido por la Universidad de Minnesota, ha desarrollado un innovador proceso de crecimiento de cristales en un solo paso para fabricar capas ultrafinas de material con poros de tamaño molecular. Los investigadores demostraron el uso del material, llamado nanoláminas de zeolita, haciendo membranas ultraselectivas para separaciones químicas.
Estas nuevas membranas pueden separar moléculas individuales en función de la forma y el tamaño, lo que podría mejorar la eficiencia energética de los métodos de separación química utilizados para hacer de todo, desde combustibles hasta productos químicos y farmacéuticos.
La investigación se publica hoy en Naturaleza , la revista científica interdisciplinaria más citada del mundo. Los investigadores también han presentado una patente provisional sobre la tecnología.
"En general, hemos desarrollado un proceso para el crecimiento de cristales de nanoláminas de zeolita que es más rápido, más simple y produce láminas nano de mejor calidad que nunca antes", dijo Michael Tsapatsis, profesor de ingeniería química y ciencia de materiales de la Universidad de Minnesota e investigador principal en"Nuestro descubrimiento es otro paso hacia una mayor eficiencia energética en las industrias química y petroquímica".
Vea un video del proceso de un solo paso para cultivar nanoláminas de zeolita, materiales ultrafinos hechos de estructuras de cristal que podrían revolucionar las separaciones químicas.
Hoy, la mayoría de los procesos de purificación química y petroquímica se basan en procesos impulsados por el calor, como la destilación. Estos procesos requieren mucha energía. Por ejemplo, las separaciones químicas basadas en la destilación representan casi el 5 por ciento del consumo total de energía en los Estados Unidos.Varias compañías e investigadores están desarrollando separaciones más eficientes energéticamente basadas en membranas que pueden separar moléculas en función del tamaño y la forma. Una clase de estas membranas se basa en zeolitas, cristales de silicato que tienen poros de dimensiones moleculares. Sin embargo, los procesos de varios pasospara fabricar estas membranas son costosas y difíciles de ampliar, y la producción comercial sigue siendo un desafío.
En este nuevo descubrimiento, los investigadores han desarrollado el primer proceso ascendente para el crecimiento directo de nanoesferas de zeolita. Estas nanoesferas se pueden utilizar para fabricar membranas de tamiz molecular de alta calidad. El nuevo material tiene un grosor de solo cinco nanómetrosy varios micrómetros de ancho 10 veces más ancho que las nanoláminas de zeolita anteriores. Las nuevas nanoláminas también crecen en una forma uniforme, lo que facilita mucho la fabricación de las membranas utilizadas en la purificación química.
"Con nuestro nuevo material es como revestir un piso con baldosas grandes y uniformes en comparación con pequeñas astillas irregulares de baldosas que solíamos tener", dijo Mi Young Jeon, graduado de Ph.D.y el primer autor del estudio. "Las nanohojas de zeolita de forma uniforme hacen una membrana de una calidad mucho más alta con valores de separación sorprendentemente altos que pueden filtrar las impurezas". Los cálculos de la dinámica molecular de los investigadores también respaldan valores de separación superiores a 10000se logrará con estas nanosheets.
Para cultivar las nanohojas de zeolita, los investigadores comienzan con nanocristales de semillas que, en primer lugar, duplican su tamaño y desarrollan facetas. Los cristales de semillas luego desencadenan la formación de un crecimiento gemelo que evoluciona para convertirse en la nanocapa. Las nanohojas comienzan a aparecer desde una esquina delos cristales de semillas y luego continúan creciendo, rodeando completamente la semilla para formar una nanocapa facetada que es extremadamente delgada y uniforme en tamaño y forma.
La forma uniforme de los cristales fue una gran sorpresa, cuando se observó por primera vez hace cuatro años. "En mis 25 años de estudio del crecimiento de cristales de zeolita, nunca había visto algo así antes", dijo Tsapatsis.
Otros investigadores también se sorprendieron con los primeros resultados. "Fue emocionante y gratificante mirar estos cristales delgados bajo el microscopio electrónico y estudiar su estructura", dijo Andre Mkhoyan, profesor de ingeniería química y ciencias de los materiales de la Universidad de Minnesota.
"Después de identificar la presencia de un gemelo en el microscopio electrónico, sabíamos que habíamos encontrado algo que sería un gran paso adelante en el desarrollo de cristales porosos ultrafinos", agregó Prashant Kumar, graduado senior de ingeniería química y ciencias de los materiales de la Universidad de Minnesotaestudiante que realizó experimentos de microscopía electrónica.
"La capacidad de la nanocapa de crecer en solo dos dimensiones fue inicialmente inesperada, pero pudimos desentrañar sistemáticamente su estructura y mecanismo de crecimiento de cristales", dijo Peng Bai, investigador postdoctoral de la Universidad de Minnesota en el Departamento de Química y el Departamento de Ingeniería Químicay Ciencia de los Materiales que utilizó métodos químicos cuánticos para interpretar la estructura única.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Minnesota . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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