Una nuova membrana utilizza pori perfettamente uniformi di un nanometro per filtrare le molecole.

Molte attività industriali dipendono dalla separazione di diverse sostanze. Questi processi di separazione sono essenziali per attività come la purificazione dei farmaci, il trattamento dei coloranti tessili e la produzione alimentare. Tuttavia, sono anche tra le operazioni più energivore nel settore manifatturiero, rappresentando circa il 40-50% del consumo energetico industriale globale.

La maggior parte degli impianti si affida ancora ad approcci tradizionali come la distillazione e l’evaporazione. Sebbene efficaci, questi metodi richiedono grandi quantità di energia e contribuiscono in modo significativo alle emissioni di carbonio. La filtrazione a membrana è generalmente considerata un’alternativa più pulita, ma le membrane polimeriche convenzionali spesso presentano pori di dimensioni irregolari. Nel tempo, questi pori possono cambiare forma o degradarsi, riducendo le prestazioni e limitandone l’utilità in ambienti industriali esigenti.

POMbrane ispirate alla natura con pori di un nanometro

“Per ovviare a queste limitazioni, abbiamo progettato una nuova classe di membrane cristalline ultra-selettive chiamate “POMbranes”, che contengono pori larghi circa un nanometro, migliaia di volte più sottili di un capello umano”, ha affermato la Dott.ssa Shilpi Kushwaha, scienziata senior presso il 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 di esattamente 1 nanometro di larghezza, che rimane permanentemente stabile.

Secondo la signora Priyanka Dobariya, ricercatrice del CSMCRI e co-prima autrice dell’articolo, “Questi POM sono minuscoli agglomerati metallici a forma di corona che presentano un foro centrale permanente e perfetto, il quale non si modifica né si deforma, superando così il principale ostacolo dei tradizionali filtri in plastica”.

Costruzione di un setaccio molecolare ultrasottile

Per creare una membrana funzionale, è stato necessario disporre miliardi di queste minuscole strutture ad anello in uno strato continuo e privo di difetti. A tal fine, i ricercatori hanno attaccato catene chimiche flessibili agli aggregati di POM.

Quando gli aggregati modificati sono stati posti sull’acqua, si sono naturalmente espansi e organizzati in una pellicola ultrasottile di ampia superficie. Modificando la lunghezza delle catene collegate, il team è stato in grado di controllare quanto fittamente gli aggregati si impacchettassero.

“Questo ha costretto le molecole ad attraversare la membrana attraverso l’unico percorso aperto, ovvero i fori di un nanometro presenti in ogni cluster, permettendo alla membrana di agire come un setaccio ad alta tecnologia”, ha aggiunto il dottor Raghavan Ranganathan, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali dell’IITGN.

Il dottor Ranganathan e il signor Vinay Thakur, dottorando presso l’IITGN e co-primo autore dell’articolo, hanno anche condotto simulazioni a livello molecolare che hanno rivelato come le membrane svolgono la loro funzione di filtraggio.

Prestazioni di separazione quasi dieci volte superiori

I test hanno dimostrato che le membrane sono in grado di distinguere tra molecole che differiscono di soli 100-200 Dalton, un livello di precisione estremamente difficile da raggiungere con le membrane polimeriche convenzionali.

Secondo il dottor Ketan Patel, ricercatore principale presso il CSMCRI, questa capacità potrebbe creare nuove opportunità per processi produttivi più sostenibili.

“Le nostre membrane mostrano prestazioni di separazione quasi dieci volte superiori rispetto alle tecnologie esistenti, pur rimanendo flessibili, stabili e scalabili”, ha affermato.

“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 affinché le membrane vengano ampiamente adottate nell’industria.”

Potenziali vantaggi per il settore tessile e il riciclo dell’acqua

Questa tecnologia potrebbe rivelarsi particolarmente preziosa per le industrie tessili e farmaceutiche indiane, entrambe di fondamentale importanza per l’economia del Paese.

Il settore tessile e dell’abbigliamento indiano contribuisce per oltre il 2,3% al PIL e rappresenta circa il 13% della produzione industriale. Il mercato interno ha attualmente un valore compreso tra 160 e 225 miliardi di dollari e si prevede che si espanderà fino a raggiungere i 250-350 miliardi di dollari entro il 2030.

Le operazioni di tintura e finissaggio tessile generano grandi quantità di acque reflue contaminate, rendendo la rimozione dei coloranti e il riutilizzo dell’acqua sfide continue. Le nuove membrane potrebbero rimuovere selettivamente le molecole di colorante consentendo al contempo il riciclo dell’acqua, riducendo sia il consumo di acqua dolce che lo spreco di sostanze chimiche. Questo vantaggio è particolarmente importante in un mercato indiano del trattamento delle acque reflue in continua crescita.

Applicazioni nella produzione farmaceutica

Le membrane potrebbero inoltre apportare benefici alla produzione farmaceutica, dove separazioni di elevata precisione sono fondamentali per la qualità del prodotto e l’efficienza produttiva.

“Processi come la purificazione dei farmaci e il recupero dei solventi sono al contempo ad alta intensità energetica e sensibili alla qualità”, ha osservato il signor Vinay Thakur. “Membrane altamente selettive come queste possono ridurre il consumo energetico pur mantenendo gli standard rigorosi richiesti nella produzione farmaceutica.”

Una piattaforma tecnologica per la produzione sostenibile.

I ricercatori descrivono le nuove POMbrane come una piattaforma tecnologica versatile. La loro struttura regolabile, l’elevata selettività e la capacità di resistere ad ambienti chimici aggressivi le rendono adatte a una vasta gamma di applicazioni di separazione industriale, dal trattamento delle acque reflue alla produzione di prodotti chimici avanzati.

Poiché le industrie sono sempre più alla ricerca di tecnologie che combinino efficienza, durata e sostenibilità, le membrane ingegnerizzate a livello molecolare potrebbero diventare una componente importante dei sistemi di produzione di prossima generazione. Applicando un principio comunemente utilizzato in biologia, ovvero il controllo preciso su scala molecolare, e adattandolo a una tecnologia dei materiali scalabile, i ricercatori hanno dimostrato come la progettazione ispirata alla natura possa contribuire a risolvere importanti sfide industriali.

Priyanka Dobariya, Vinay Thakur, Amrutha A, Karan Marvaniya, Ashish Maurya, Pradip Pachfule, Prashant Kumar, Raghavan Ranganathan, Shilpi Kushwaha, Ketan Patel. Large-Area Supramolecular Crystalline Thin Films of Polyoxometalates with Controlled 1-nm Pores Enabling Ultra-Selective Molecular Transport. Journal of the American Chemical Society, 2026; 148 (3): 3280 DOI: 10.1021/jacs.5c17644