Biomimetica attiva

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8178 (2022) Citare questo articolo

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La membrana su chip è oggetto di crescente interesse in un'ampia varietà di ricerche ad alto rendimento sull'ambiente e sull'acqua. I progressi nella tecnologia delle membrane forniscono continuamente nuovi materiali e strutture multifunzionali. Tuttavia, l’incorporazione della membrana nei dispositivi microfluidici rimane impegnativa, limitandone così la versatilità di utilizzo. Qui, tramite la stampa 3D micro-stereolitografia, proponiamo e fabbrichiamo un dispositivo a membrana su chip integrato nella struttura "branchia di pesce", che ha l'attributo autosigillante all'interfaccia struttura-membrana senza assemblaggio aggiuntivo. A titolo dimostrativo, la microrete metallica e la membrana polimerica possono anche essere facilmente incorporate in un dispositivo su chip stampato in 3D per ottenere funzionalità antivegetativa e anti-intasamento per la filtrazione delle acque reflue. Come evidenziato dalla visualizzazione in situ delle interazioni struttura-fluido-sporco durante il processo di filtrazione, l'approccio proposto adotta con successo il meccanismo di alimentazione dei pesci, essendo in grado di "rimbalzare" particelle o goccioline di sporco attraverso la manipolazione idrodinamica. Se confrontati con due scenari comuni di trattamento delle acque reflue, come microparticelle di plastica e goccioline di olio emulsionate, i nostri dispositivi di filtrazione biomimetica mostrano una durata 2 ~ 3 volte maggiore per la filtrazione ad alto flusso rispetto ai dispositivi con membrana commerciale. Questo approccio proposto di stampa 3D su membrana, collegando elegantemente i campi della microfluidica e della scienza delle membrane, è determinante per molte altre applicazioni nel campo dell’energia, del rilevamento, della chimica analitica e dell’ingegneria biomedica.

La filtrazione e la separazione su membrana sono state ampiamente utilizzate in applicazioni biomediche, idriche e ambientali1,2,3,4,5,6. Nell'ampio processo di purificazione dell'acqua e di filtrazione delle acque reflue, l'acqua purificata permea attraverso la membrana, mentre i contaminanti come microparticelle di plastica, goccioline d'olio e soluti vengono respinti dalla membrana. Nonostante i vantaggi ben riconosciuti della filtrazione a membrana (vale a dire permeati di alta qualità, ridotto utilizzo di spazio, facile automazione e controllo), le incrostazioni e gli intasamenti della membrana rimangono un grave collo di bottiglia nell'efficace filtrazione dell'acqua7,8,9,10. L'integrazione del controllo del trasporto di massa mediante membrana di filtrazione nei dispositivi microfluidici ha mostrato una crescita sostanziale per lo sviluppo ad alto rendimento di soluzioni antivegetative/intasamenti11,12,13,14,15.

Attualmente, le strategie anti-incrostazione/intasamento si concentrano principalmente sullo sviluppo di nuovi materiali per la membrana16,17 e sulla modifica della superficie della membrana9,18,19,20. La chimica della superficie della membrana e la bagnabilità influiscono fortemente sull'interazione superficie-foulant e sulla tendenza al fouling: la superficie della membrana con superidrofobicità e oleofobicità subacquea è auspicabile per mitigare l'adesione del fouling17,21,22. Intensi sforzi di ricerca hanno dimostrato che il rivestimento superficiale di ossido di metallo9 e persino di materiali fotocatalitici23,24 può far sì che la membrana mostri una capacità antivegetativa superiore rispetto alla repellenza e alla degradazione delle incrostazioni organiche. Tali approcci chimici sono stati diffusi per la loro facile implementazione e l'elevato rapporto di recupero del flusso (FRR) (vedere Fig. 1a), tuttavia, oltre ai problemi di adesione/degradazione del rivestimento, spesso sorgono problemi ambientali con lo smaltimento dei rifiuti chimici. In alternativa, la strategia antivegetativa/intasamento priva di sostanze chimiche diventa molto interessante. La modellazione superficiale, creando strutture topologiche sulle superfici delle membrane, può manipolare l'idrodinamica locale e la corrispondente interazione foulant-superficie25,26,27,28,29,30. Con strutture superficiali adeguatamente progettate, il campo di flusso vicino alla superficie della membrana può essere controllato per inibire la deposizione e l'accumulo di incrostazioni, in particolare particelle o goccioline di incrostazioni di dimensioni micro. Queste strutture di membrana hanno dimensioni paragonabili alle goccioline d'olio nell'acqua prodotta31 e ai frammenti o fibre di microplastica dannosi rilevati dall'analisi del contenuto dell'intestino dei pesci32 (vedere Fig. 1a). Inoltre, regolando il campo di velocità locale, lo stress di taglio indotto all'interfaccia membrana-foulant può ulteriormente consentire il distacco e la rimozione dei foulants28,33.