La luz controla la separación de iones
Una membrana de nuevo desarrollo permite modificar de forma selectiva la permeabilidad de los iones mediante luz y tensión eléctrica.
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El litio, el magnesio, el potasio y muchos otros iones suelen aparecer juntos en soluciones naturales y técnicas. Separarlos unos de otros de forma selectiva supone un reto, por ejemplo, en la extracción y el procesamiento de materias primas. Investigadores del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces y de la Universidad de Alberta, en Canadá, han desarrollado ahora una membrana cuya capacidad para separar iones puede modularse mediante luz y un campo eléctrico. En las condiciones estudiadas, la membrana transportó iones de litio más de 200 veces con mayor preferencia que los iones de magnesio. En el caso de los iones de potasio, esta relación superó el 500. Los resultados se han publicado recientemente en la revista *Angewandte Chemie*.
Cómo se desplazan los iones a través de la membrana
Las membranas contienen diminutos canales por los que ciertos iones pueden pasar con mayor facilidad que otros. Sin embargo, en sistemas complejos como las salmueras, la separación de iones resulta más complicada. Los iones están rodeados de moléculas de agua que forman la denominada «capa de hidratación», cuyo tamaño y fuerza varían según el ion. Estas diferencias influyen considerablemente en la facilidad con la que los iones individuales pueden atravesar estrechos canales a escala nanométrica.
Los iones monovalentes, como el litio (Li⁺) o el potasio (K⁺), tienen una sola carga positiva, mientras que el magnesio (Mg²⁺) tiene dos cargas positivas. Debido a sus diferentes niveles de hidratación y a sus interacciones con los nanocanales cargados, los iones se desplazan a velocidades diferentes. Los investigadores están aprovechando esta diferencia para separar entre sí los iones monovalentes y los divalentes.
Una membrana multicapa
Los investigadores han desarrollado una membrana con estructura jerárquica compuesta por tres componentes. El óxido de aluminio anódico, con nanocanales alineados, sirve de sustrato. Sobre él se encuentra una fina capa de nitruro de carbono, que es el componente fotoactivo. La tercera capa está formada por un poli(líquido iónico), que se aplica sobre la capa de nitruro de carbono y forma la superficie con carga positiva de la membrana.
El nitruro de carbono permite influir en el transporte de iones desde el exterior. Al iluminar la membrana y aplicar simultáneamente un campo eléctrico, cambian las condiciones eléctricas en el interior de los nanocanales cargados. Esto permite controlar qué iones pueden atravesar la membrana.
«La membrana funciona, en cierto sentido, como un filtro controlable», afirma Enis Oğuzhan Eren, primer autor del estudio. «Mediante la luz y un campo eléctrico, podemos influir en qué iones pueden atravesar preferentemente los nanocanales».
La luz mejora la separación iónica
Los investigadores estudiaron el alcance de este efecto utilizando, entre otros, iones de litio y magnesio. Incluso sin estímulos externos, la membrana mostró una preferencia por los iones monovalentes frente a los divalentes.
Al combinar la irradiación con luz con una tensión aplicada, la selectividad iónica mejoró significativamente, alcanzando aproximadamente un valor de 228 para el litio frente al magnesio y de 560 para el potasio frente al magnesio, en soluciones complejas con múltiples iones.
Un principio para el transporte controlable de iones
Los resultados muestran que el transporte de iones a través de membranas a escala nanométrica puede verse influido no solo por la composición química y la estructura del material. La luz y la tensión eléctrica también pueden utilizarse para alterar las interacciones dentro de los canales y, de este modo, regular específicamente el transporte de diferentes iones.
«Nuestros resultados demuestran que el transporte de iones en canales a nanoescala puede controlarse dinámicamente», afirma Paolo Giusto, jefe de grupo en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces e investigador principal del proyecto de colaboración bilateral. «Esto sienta las bases para el desarrollo de membranas cuyas propiedades de separación puedan modificarse mediante la iluminación con luz».
A largo plazo, este principio podría resultar de interés para aplicaciones en las que sea necesario separar selectivamente iones específicos de soluciones complejas. Entre ellas se incluyen, por ejemplo, los procesos de tratamiento y recuperación de materias primas. La separación de litio y magnesio reviste especial relevancia para la extracción de litio, ya que el magnesio puede complicar el proceso de separación al tratar soluciones que contienen litio.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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