Como o vazio oculto pode definir a utilidade dos materiais de filtração

Vazios, ou espaços vazios, existem na matéria em todas as escalas, da astronômica à microscópica. Num novo estudo, os investigadores usaram microscopia de alta potência e teoria matemática para revelar vazios em nanoescala em três dimensões. Este avanço está preparado para melhorar o desempenho de muitos materiais utilizados em casa e nas indústrias química, energética e médica – particularmente na área de filtração.

A ampliação dos filtros comuns usados ​​em casa mostra que, embora pareçam um pedaço sólido de material com orifícios uniformes, na verdade são compostos por milhões de pequenos vazios orientados aleatoriamente que permitem a passagem de pequenas partículas. Em algumas aplicações industriais, como filtração de água e solventes, membranas finas como papel constituem as barreiras que separam fluidos e partículas.

“A comunidade de ciência de materiais está ciente desses vazios em nanoescala orientados aleatoriamente dentro das membranas de filtro há algum tempo”, disse Falon Kalutantirige, estudante de graduação da Universidade de Illinois Urbana-Champaign.

“O problema era que a estrutura complexa da membrana como um todo – que se parece com cadeias de montanhas em nanoescala quando ampliada – bloqueava a nossa visão dos espaços vazios. Sabíamos que se pudéssemos encontrar uma maneira de vê-los, poderíamos então descobrir como eles funcionam e, finalmente, melhorar o desempenho da membrana do filtro.”

O estudo, dirigido pelo professor de ciência e engenharia de materiais de Illinois, Qian Chen, e pelo professor da Universidade de Wisconsin-Madison, Ying Li, é o primeiro a integrar a ciência dos materiais e um conceito matemático chamado teoria dos grafos para ajudar a imaginar e mapear a colocação aleatória desses vazios dentro materiais de filtração. As descobertas são publicadas na revista Comunicações da Natureza.

Com base num estudo anterior que utilizou modelos de laboratório, os investigadores disseram que o novo estudo centra-se em membranas muito mais complexas utilizadas em aplicações industriais.

“As superfícies das membranas que estudamos neste trabalho parecem planas a olho nu, mas quando ampliamos usando microscopia eletrônica de transmissão, tomografia eletrônica e microscopia de força atômica, pudemos observar esses vazios aninhados nessas paisagens montanhosas em nanoescala que chamamos de amassados. ”, disse Kalutantirige, o primeiro autor do estudo.

No entanto, a equipe precisava de um meio para medir e mapear essas características para construir um modelo preditivo quantitativo e obter uma imagem mais holística das superfícies da membrana.

“O mapeamento e a medição por si só funcionarão para materiais com uma estrutura regular ou periódica, tornando matematicamente simples ampliar nossos modelos e prever como as propriedades estruturais influenciarão o desempenho do material”, disse Chen.

“Mas a irregularidade que observamos em nosso estudo nos levou a usar a teoria dos grafos, que nos dá uma maneira matemática de descrever esse material heterogêneo e confuso – mas prático.”

A teoria dos grafos ajudou a equipe a finalmente obter uma compreensão mais holística da estrutura da membrana do filtro, o que os levou a descobrir uma forte correlação entre as propriedades físicas e mecânicas únicas do espaço vazio aleatório e o melhor desempenho de filtração.

“Nosso método é uma técnica muito universal para descrever materiais”, disse Kalutantirige. “Muitas coisas que usamos na vida cotidiana e na ciência não são feitas de materiais compostos de estruturas uniformes repetitivas. Então, acho que a beleza do método é que podemos capturar a ‘regularidade’ de estruturas irregulares.”

A equipe disse que esse avanço melhorará a eficácia de muitos materiais porosos de próxima geração, como os polímeros usados ​​na administração de medicamentos.

“O título deste estudo sugere o conceito de ‘além do nada’ e, com isso, queremos dizer que esses espaços vazios são realmente importantes quando se trata de desenvolver as melhores membranas de filtração”, disse Chen. “Este trabalho só é possível com nossa maravilhosa equipe de colaboradores. Xiao Su nos ajudou com os testes de desempenho da membrana. Emad Tajkhorshid, Charles Schroeder e Jeffrey Moore trabalharam conosco na síntese e análise dos sistemas poliméricos.”

Chen também é afiliado à engenharia química e biomolecular, à química, ao Laboratório de Pesquisa de Materiais e ao Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada. Jinlong He da UW-Madison; Hyosung An, da Universidade Nacional de Chonnam, Coreia; e os pesquisadores de Illinois Lehan Yao, Stephen Cotty, Shan Zhou e John Smith também contribuíram para o estudo.