Las membranas de filtración de agua tienen forma de células.

Un equipo interdisciplinario de investigadores de la Universidad de EE. UU. es el primero en observar y modelar la morfología a nanoescala, un proceso común en la naturaleza, en materiales sintéticos. Los coautores del estudio, de izquierda a derecha, el profesor Ji Feng y el profesor Qian Chen, que sostiene el retrato del autor principal y expostdoctorado Hyosung An, y el profesor Xiao Su. Crédito: L Brian Stover

La morfología es la forma en que la naturaleza construye diversas estructuras y funciones a partir de un conjunto fijo de componentes. Si bien la naturaleza es rica en ejemplos de morfología (diferenciación celular, desarrollo embrionario y formación de citoesqueleto, por ejemplo), la investigación sobre el fenómeno en materiales sintéticos es escasa. Los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign van un paso más allá utilizando la tomografía electrónica, las teorías de la dinámica de fluidos y el aprendizaje automático para observar los polímeros blandos a medida que los polímeros aprenden de la naturaleza.

El nuevo estudio, dirigido por Qian Chen, profesor de ciencia e ingeniería de materiales; Ji Feng, profesor de ciencias mecánicas e ingeniería; Y Xiao Su Profesor de Ingeniería Química y Biológica Molecular. Es el primero en demostrar la morfología a nanoescala en un material artificial. El estudio fue publicado en la revista progreso de la ciencia.

dijo Hyosung Ahn, ex investigador postdoctoral en Illinois, autor principal del estudio y profesor de ingeniería de materiales petroquímicos en la Universidad Nacional de Chonnam en Corea del Sur. «Al tomar fotografías de membranas de muestra desde una plataforma giratoria, podemos reconstruir una morfología 3D completa con una resolución de menos de un nanómetro».

Las imágenes desde diferentes ángulos permiten a los investigadores ver la compleja estructura 3D de las membranas, con todos sus grupos, vacíos internos y redes, con una resolución espacial que antes no era posible. Las estructuras son tan complejas que los descriptores de formas tradicionales, como el radio y la longitud, no son válidos, dijo Chen, quien dirigió la parte experimental del estudio.

Para ayudar a los miembros del equipo a aprender sobre la naturaleza compleja de las membranas, los estudiantes de posgrado John W. Smith y Lihan Yao desarrollaron un flujo de trabajo basado en el aprendizaje automático para digitalizar los parámetros de la estructura.






Los esfuerzos de Smith y Yao tuvieron un efecto inmediato.

«Podemos ver similitudes morfológicas entre las membranas artificiales y los sistemas biológicos», dijo Feng, quien dirigió la dinámica de fluidos y el modelado de interacción con el investigador postdoctoral Bingqiang Ji. «Probamos varios modelos y encontramos un sorprendente acuerdo cuantitativo con las teorías tradicionales que explican las estructuras en los sistemas biológicos macroscópicos, como los patrones en la piel de los peces. Las moléculas son inteligentes y esperamos que se produzca una formación similar en otros materiales poliméricos blandos, no todavía no tengo las herramientas para verlo».

«El efecto va más allá de la comprensión mecánica», dijo Su, quien dirigió los estudios de separación de membranas junto con el estudiante graduado Stephen Coty. Uno de los antiguos misterios de la ciencia de la segregación ha sido cómo relacionar la morfología y el rendimiento de las membranas. Nuestro estudio combina una comprensión detallada de la morfología a nanoescala con el ensayo de filtración por membrana, con implicaciones importantes para diferentes contextos de separación. «

Los investigadores prevén una amplia gama de aplicaciones para este desarrollo que puede ampliar la funcionalidad de los nanomateriales blandos como polímeros, vesículas, microgeles y compuestos, todo a través de la morfología.

«Al moldear la nanomorfología 3D durante las reacciones químicas formativas, este avance beneficiará el diseño de otros materiales con formas 3D complejas», dijo Chen. «Las tecnologías detrás de dispositivos como nanomáquinas accionadas y otros materiales inspirados biológicamente con morfología interfacial 3D precisa cuyas formas pueden influir en las interacciones biológicas pueden avanzar a través de nuestros hallazgos».

El artículo de investigación «Mecanismo y significado del rendimiento para la formación de nanoformas en películas de poliamida reveladas por imágenes cuantitativas 3D y aprendizaje automático» es publicado por progreso de la ciencia.


La película delgada de nanómetros 3D toma prestado de la biología


más información:

Hyosung An et al, Mecanismo e importancia del rendimiento de la formación de nanoformación en películas de poliamida reveladas por imágenes cuantitativas en 3D y aprendizaje automático, progreso de la ciencia (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abk1888. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk1888

Introducción de
Universidad de Illinois en Urbana-Champaign


La frase:
Las membranas de filtración de agua se transforman en células similares a células (23 de febrero de 2022)
Consultado el 23 de febrero de 2022.
De https://phys.org/news/2022-02-filtration-membranes-morph-cells.html

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