Os métodos moleculares limpam o caminho para separações mais rápidas e econômicas

O processo de separação de moléculas úteis de misturas de outras substâncias é responsável por 15% da energia do país, emite 100 milhões de toneladas de dióxido de carbono e custa US $ 4 bilhões anualmente.

Os fabricantes comerciais produzem colunas de materiais porosos para separar novos medicamentos potenciais desenvolvidos pela indústria farmacêutica, por exemplo, e também para produção de energia e química, ciência ambiental e fabricação de alimentos e bebidas.

Mas em um novo estudo, os pesquisadores da Case Western Reserve College descobriram que esses materiais de separação fabricados não funcionam como pretendidos porque os poros são tão embalados com polímero em que ficam bloqueados. Isso significa que as separações são ineficientes e desnecessariamente caras.

Lydia Kisley, professora assistente de Ambrose Swasey de Física e Química na Case Western Reserve, usou o que é conhecido como microscopia de molécula única para encontrar que soluções contendo moléculas de interesse difundido principalmente e adsorvido ao redor da borda externa dos materiais porosos, deixando o centro quase totalmente não utilizado.

A pesquisa foi publicado no diário Avanços científicos.

“Esses materiais são comercializados como ‘totalmente porosos’, mas não são”, disse Kisley, que liderou o trabalho. “Ficamos realmente surpresos com isso. Por que esse materials não está funcionando da maneira que foi projetado e está sendo vendido para trabalhar?”

Kisley, juntamente com os colegas Burcu Gurkan e a professora associada Christine Duval, do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Escola de Engenharia, queria descobrir o porquê.

Microscopia de fluorescência de molécula única, uma técnica especializada que permite aos cientistas visualizar e analisar o comportamento de moléculas individuais, permitiu que Kisley visse a dinâmica molecular na nanoescala.

“Usamos a luz para ser capaz de observar moléculas individuais”, disse ela, “brilhando um laser mais azul para levar as moléculas a fluorescer em vermelho”.

Gurkan e pesquisadora de pós -doutorado em seu laboratório, Muhammad Zeeshan, testaram os materiais especificados pela indústria, não nas condições da solução que eles realmente foram usados ​​e descobriram que testaram como anunciados pelos fabricantes.

Porém, ao imaginar os mesmos materiais sob condições usadas nas separações reais, Kisley descobriu que os fabricantes estavam adicionando tanto materials de celulose para capturar moléculas que realmente bloqueou os poros. O uso de um solvente para remover materials further melhorou as potenciais separações.

Kisley espera que suas descobertas ajudem os fabricantes a projetar separações mais eficientes. “Metade do custo de trazer um novo medicamento ao mercado está tentando separar moléculas, um processo que pode ser feito entre 10 e 20 vezes para uma substância”, disse ela.

A técnica de microscopia de molécula única pode mostrar como os separadores realmente funcionam e prevêem seu desempenho. Se adotado pela indústria, isso pode eliminar os métodos de julgamento e erro agora usados ​​na ciência da separação, disse ela.

“Talvez você possa obter separações mais eficientes e eliminar um passo inteiro”, disse ela. “Pense na economia monetária e no tempo. Poderíamos convergir mais rapidamente em um medicamento bem -sucedido para ajudar a tratar doenças”.

Kisley citou Ricardo Monge Neria, um estudante de pós -graduação da Western Reserve em física, por liderar o Pesquisa experimental e escrevendo o artigo publicado.

Rachel Saylor, professora associada de química e bioquímica do Oberlin School, também colaborou no estudo, juntamente com pesquisadores da Case College of Engineering Swagelok Middle para a análise de superfície de materiais.