La luce controlla la separazione degli ioni
Una membrana di recente sviluppo consente di influenzare in modo selettivo la permeabilità degli ioni utilizzando la luce e una tensione elettrica
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Il litio, il magnesio, il potassio e molti altri ioni sono solitamente presenti insieme nelle soluzioni naturali e tecniche. Separarli in modo mirato rappresenta una sfida, ad esempio nell’estrazione e nella lavorazione delle materie prime. I ricercatori dell’Istituto Max Planck per i colloidi e le interfacce e dell’Università di Alberta in Canada hanno ora sviluppato una membrana la cui capacità di separare gli ioni può essere modulata utilizzando la luce e un campo elettrico. Nelle condizioni studiate, la membrana ha trasportato gli ioni di litio in modo preferenziale rispetto agli ioni di magnesio in un rapporto superiore a 200. Per gli ioni di potassio, questo rapporto era superiore a 500. I risultati sono stati ora pubblicati su *Angewandte Chemie*.
Come si muovono gli ioni attraverso la membrana
Le membrane contengono minuscoli canali attraverso i quali alcuni ioni possono passare più facilmente di altri. Tuttavia, in sistemi complessi come le salamoie, la separazione ionica risulta più complessa. Gli ioni sono circondati da molecole d’acqua che formano un cosiddetto guscio di idratazione, le cui dimensioni e forza variano a seconda degli ioni. Queste differenze influenzano fortemente la facilità con cui i singoli ioni possono attraversare stretti canali su scala nanometrica.
Gli ioni monovalenti come il litio (Li⁺) o il potassio (K⁺) hanno una singola carica positiva, mentre il magnesio (Mg²⁺) ne ha due. A causa delle diverse condizioni di idratazione e delle loro interazioni con i nanocanali carichi, gli ioni si muovono a velocità diverse. I ricercatori stanno sfruttando questa differenza per separare gli ioni monovalenti da quelli bivalenti.
Una membrana multistrato
I ricercatori hanno sviluppato una membrana a struttura gerarchica composta da tre componenti. L’ossido di alluminio anodizzato con nanocanali allineati funge da substrato. Sopra di esso si trova un sottile strato di nitruro di carbonio, che costituisce il componente fotoattivo. Il terzo strato è costituito da un poli(liquido ionico), che viene applicato allo strato di nitruro di carbonio e forma la superficie caricata positivamente della membrana.
Il nitruro di carbonio consente di influenzare il trasporto ionico dall’esterno. Illuminando la membrana e applicando contemporaneamente una tensione elettrica, cambiano le condizioni elettriche all’interno dei nano-canali caricati. Ciò permette di controllare quali ioni possono attraversare la membrana.
«La membrana funziona, in un certo senso, come un filtro controllabile», afferma Enis Oğuzhan Eren, primo autore dello studio. «Utilizzando la luce e un campo elettrico, possiamo influenzare quali ioni vengono preferenzialmente fatti passare attraverso i nanocanali».
La luce potenzia la separazione ionica
I ricercatori hanno studiato l’entità di questo effetto utilizzando, tra l’altro, ioni di litio e magnesio. Anche in assenza di stimoli esterni, la membrana mostrava una preferenza per gli ioni monovalenti rispetto a quelli bivalenti.
Combinando l’irradiazione luminosa con l’applicazione di una tensione elettrica, la selettività ionica è stata notevolmente potenziata, raggiungendo circa 228 per il litio rispetto al magnesio e 560 per il potassio rispetto al magnesio, in soluzioni complesse contenenti più ioni.
Un principio per il trasporto ionico controllabile
I risultati dimostrano che il trasporto di ioni attraverso membrane su scala nanometrica può essere influenzato non solo dalla composizione chimica e dalla struttura del materiale. Anche la luce e la tensione elettrica possono essere utilizzate per alterare le interazioni all’interno dei canali e quindi regolare in modo specifico il trasporto di diversi ioni.
«I nostri risultati dimostrano che il trasporto ionico nei canali su scala nanometrica può essere controllato dinamicamente», afferma Paolo Giusto, responsabile di gruppo presso l’Istituto Max Planck per i colloidi e le interfacce e ricercatore principale del progetto di collaborazione bilaterale. «Ciò getta le basi per la realizzazione di membrane le cui proprietà di separazione possano essere influenzate mediante l’illuminazione con la luce».
A lungo termine, questo principio potrebbe risultare interessante per applicazioni in cui è necessario separare selettivamente ioni specifici da soluzioni complesse. Tra queste rientrano, ad esempio, i processi di trattamento e recupero delle materie prime. La separazione del litio dal magnesio è particolarmente rilevante per l’estrazione del litio, poiché il magnesio può complicare il processo di separazione durante il trattamento di soluzioni contenenti litio.
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