Materiais porosos desempenham papéis cruciais em diversos contextos, desde o transporte de água e nutrientes em sistemas biológicos até o armazenamento de óleo e água em reservatórios de rochas. E membranas poliméricas sintéticas desempenham um papel fundamental em processos de separação, como em cromatografia.

Elas têm aplicações bem estabelecidas em dessalinização de água, hemodiálise e separação de gases, e seu uso está se expandindo em processos de filtragem de poluentes em águas contaminadas. Alguns de seus benefícios são sua eficiência energética, sua pegada de carbono reduzida e seu design compacto, que permite uma grande área de membrana em um volume pequeno. 

Membranas capazes de cumprirem objetivos em aplicações tecnológicas possuem estruturas porosas complexas e que garantam a seletividade necessária, estabilidade mecânica e características de transporte rápido. E a efetividade e performance dessas membranas é definida por características como porosidade e interconectividade, que podem ser particularmente difíceis de se medir quando levadas para a nanoescala. 

Visualização 3D da interconectividade entre poros

As limitações da microscopia eletrônica e as vantagens da tomografia pticográfica de raios X 

Técnicas como Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Microscopia de Força Atômica (AFM) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) têm ajudado cientistas a compreender melhor os mecanismos de transporte nestas aplicações e a desenvolver membranas para diferentes propósitos. Entretanto, apesar de poderosas, essas técnicas carregam consigo grandes limitações. As amostras precisam ser desidratadas e cobertas por uma camada metálica, além de precisarem permanecer no vácuo durante a análise, o que pode afetar a estrutura dessas membranas e impedir análises em condições próximas às reais. 

Além disso, quando os poros do material alcançam a nanoescala, é preciso reduzir significativamente o volume total de amostra analisado para alcançar a resolução necessária para analisá-los. Neste contexto, a tomografia de raios X surge como uma boa alternativa. Além de ser um método de visualização não destrutivo, as amostras podem ser analisadas em condições ambiente e o volume total é significativamente maior. 

  A tomografia de raios X convencional, que analisa o diferencial de absorção de diferentes partes da amostra, esbarra em um limite de resolução em análises de materiais pouco densos, como é o caso de membranas. Entretanto, com a recente entrada em operação das novas fontes de luz síncrotron de 4ª geração e o desenvolvimento da técnica de tomografia pticográfica de raios X, é possível conseguir imagens desses materiais com resolução nanométrica. 

A tomografia pticográfica de raios X (PXCT) é uma técnica poderosa de imagem por contraste de fase que usa uma série de projeções 2D do objeto em diferentes ângulos para reconstruir sua estrutura tridimensional em alta resolução, revelando informações sobre porosidade e interconectividade. 

Tomografia de membranas ocas

O artigo publicado na revista Communications Materials por um grupo de pesquisadores do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM) e do King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) destaca as capacidades da tomografia pticográfica de raios X e descreve o trabalho realizado para obtenção de imagens tridimensionais com resolução espacial de 26 nanômetros, a mais alta para materiais poliméricos porosos até hoje. 

“Este tipo de experimento alavanca a construção de uma comunidade de nanotomografia por pticografia na América Latina e oferece novas oportunidades de experimentos para aqueles que trabalham com estruturas poliméricas em diferentes áreas de aplicação. O grande campo de visão permite que em um único experimento você possa ter informações de diferentes escalas de tamanho, o que geralmente é feito combinando várias técnicas diferentes.”, ressalta Carla Pólo, pesquisadora do CNPEM e coautora do artigo. 

Para alcançar este marco, os cientistas prepararam duas membranas poliméricas ocas usando uma solução de polietilenimina (PEI), dietileno glicol (DEG) e metilpirrolidona (NMP) e fluidos de coagulação com duas composições diferentes. 

A análise foi conduzida utilizando um feixe de raios X produzido pelo Sirius na linha de luz Cateretê. Diversos padrões de difração foram coletados para cada uma das amostras em diferentes pontos e em diferentes ângulos de projeção. O processamento da quantidade massiva de dados coletados permitiu a reconstrução de imagens tridimensionais das amostras com resolução sem precedentes. 

A resolução espacial de 23 nm x 23 nm x 23 nm permitiu que os pesquisadores extraíssem informações quantitativas sobre o material, revelando a existência de uma camada densa na superfície externa da membrana, com porosidade de menos de 5%, enquanto o interior da membrana exibia uma estrutura esponjosa com porosidade de até 74% em algumas áreas. 

A análise também se estendeu à distribuição de tamanhos de poros dentro das membranas, uma característica crucial que influencia seu desempenho das membranas em aplicações práticas, como em processos de filtração de água ou separação de gases. 

A interconectividade dos poros em toda a extensão da membrana também pôde ser avaliada. E embora a maioria estivesse ligada uns aos outros, houve diferenças notáveis na maneira como estavam distribuídos nas membranas feitas com diferentes composições. Isso teve um impacto direto no desempenho das membranas, afetando sua capacidade de permitir a passagem de substâncias e a seletividade, destacando a importância de entender a estrutura para melhorar sua aplicabilidade prática. 

Como destacado nas conclusões do artigo, o feixe de raios X altamente coerente gerado por fontes de luz síncrotron de 4ª geração como o Sirius permite análises de caráter não-destrutivo através da tomografia pticográfica de raios X (PXCT) em escala nanométrica. E tais análises não estão limitadas a medidas de estruturas porosas, mas também podem ser aplicadas em investigações de outras nanoestruturas de materiais macios. 

“A tomografia pticográfica de raios X é complementar a técnicas de imageamento convencionais de microscopia eletrônica e abre novas possibilidades de pesquisa e desenvolvimento de materiais porosos, contribuindo para o progresso em diversas áreas, desde o tratamento de águas poluídas até a biomedicina, e proporcionando um entendimento mais profundo da estrutura e funcionalidade destes materiais complexos.”, conclui Florian Meneau.