La diálisis, en el sentido más general, es el proceso por el cual las moléculas filtran de una solución, difundiendo a través de una membrana, en una solución más diluida. Fuera de la hemodiálisis, que elimina los desechos de la sangre, los científicos usan la diálisis para purificar fármacos, eliminar los residuos de soluciones químicas y aislar las moléculas para el diagnóstico médico, normalmente al permitir que los materiales pasen a través de una membrana porosa.
Las membranas de diálisis comerciales de hoy separan moléculas lentamente, en parte debido a su composición: Son relativamente gruesas, y los poros que atraviesan túneles a través de tales membranas densas lo hacen en vías tortuosas, dificultando el paso rápido de las moléculas diana.
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 configuración hexagonal como una colmena. La membrana de grafeno, aproximadamente del tamaño de una uña, tiene menos de 1 nanómetro de espesor. La membrana del equipo es capaz de filtrar moléculas de tamaño nanométrico de soluciones acuosas hasta 10 veces más rápido que las membranas de última generación, con el propio grafeno hasta 100 Veces más rápido.
Piran Kidambi, un postdoc del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que los resultados del equipo demuestran que el grafeno puede mejorar la tecnología de las membranas, en particular 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 trabajo tedioso de pasar por todos estos poros tortuosos en una membrana gruesa antes de salir del otro lado».
Uniendo grafeno
Para hacer la membrana de grafeno, los investigadores utilizaron por primera vez una técnica común llamada deposición química de vapor para hacer crecer grafeno sobre papel de cobre. A continuación, cuidadosamente grabado el cobre y transferido el grafeno a una hoja de policarbonato de apoyo, tachonado a lo largo con poros lo suficientemente grandes como para permitir el paso de cualquiera molécula a través del grafeno. El policarbonato actúa como un andamio, manteniendo el grafeno ultrafino y rizado sobre sí mismo.
Los investigadores buscaron transformar el grafeno en un tamiz molecularmente selectivo, dejando pasar solo las moléculas de cierto tamaño. Para ello, crearon pequeños poros en el material mediante la exposición de la estructura al plasma de oxígeno, un proceso por el cual el oxígeno, bombeado en una cámara de plasma, puede grabar los materiales.
«Ajustando las condiciones del plasma de oxígeno, podemos controlar la densidad y el tamaño de los poros que hacemos, en las áreas donde el grafeno es prístino«, dice Kidambi. «Lo que sucede es que un radical de oxígeno llega a un átomo de carbono [en grafeno] y reacciona rápidamente, y ambos salen como dióxido de carbono».
Lo que queda es un pequeño agujero en el grafeno, donde un átomo de carbono una vez se asentó. Kidambi y sus colegas encontraron que cuanto más largo el grafeno esté expuesto al plasma de oxígeno, más grandes y densos serán los poros. Los 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 centro de una cámara de difusión. Se llenaron el lado de la alimentación de la cámara con una solución que contiene varias mezclas de moléculas de diferentes tamaños, que van desde el cloruro de potasio (0,66 nanómetros de ancho) hasta la vitamina B12 (1 a 1,5 nanómetros) y la 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 entonces midió el flujo de moléculas a medida que se difundían a través de cada membrana de grafeno.
Las membranas con poros muy pequeños liberan cloruro de potasio, pero no moléculas más grandes como el L-triptófano, que mide sólo 0,2 nanómetros más. Las membranas con poros más grandes dejan pasar moléculas correspondientemente más grandes.
El equipo realizó experimentos similares con membranas de diálisis comerciales y encontró que, en comparación, las membranas de grafeno se desempeñaban con una «permeancia» 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 superficial, 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, somos capaces de 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 grabando más poros en el material para aumentar la permeancia global de la membrana. También están trabajando para ampliar aún más las dimensiones de la membrana, que actualmente mide 1 centímetro cuadrado. Un ajuste adicional del proceso de plasma de oxígeno para crear poros adaptados también mejorará el rendimiento de una membrana, algo que Kidambi señala 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 la electrónica, usted quiere minimizar defectos. Aquí usted quiere hacer defectos del tamaño correcto. Va a mostrar el uso final de la tecnología dicta lo que quiere en la tecnología. Esa es la clave.
