Dekonstruktion af osmose giver indsigt til medicinsk og industriel brug

Osmose, det flydende fænomen, der er ansvarlig for utallige snegledødsfald i hænderne på drilske børn, er fundamentalt vigtigt ikke kun for meget af biologien, men også til teknik og industri. Enkelt sagt, osmose refererer til strømmen af ​​væske over en membran drevet af en (opløst) koncentrationsforskel - som vand fra en saltet snegls celler eller absorberet af planters rødder.

Den nuværende teori, der beskriver den osmose-drevne adfærd, giver de mest nøjagtige forudsigelser for lave koncentrationer, begrænser dets anvendelighed til mange anvendelser i den virkelige verden. Efterhånden som interessen for forskning og udvikling af osmotisk afhængige processer vokser, og udvider, det samme gør behovet for en mere granulær teoretisk forståelse af de deterministiske mekanismer.

Ny forskning giver nu denne grundige forståelse, vises som et par publikationer i denne uge i Journal of Chemical Physics , fra AIP Publishing. Det første papir dekonstruerer osmosens molekylære mekanik med høje koncentrationer, og generaliserer resultaterne til at forudsige adfærd for vilkårlige koncentrationer. Det andet stykke af undersøgelsen simulerer derefter via molekylær modellering to nøgleformer for osmotisk strømning på en bredt anvendelig måde.

"Osmotisk transport drevet af saltholdighedsforskel forekommer på tværs af mange biologiske systemer, og det bruges også i forskellige industrielle applikationer, " sagde Hiroaki Yoshida fra ENS i Frankrig, medforfatter til de parrede publikationer. "Den nylige interesse for dets applikationer til mikro- og nanofluidiske enheder, såsom til afsaltning, energihøst, og biomedicinsk teknologi, bare for at nævne nogle få, booster væksten af ​​dette forskningsfelt."

Gruppen besluttede, at to publikationer ville give et mere grundigt og nyttigt overblik over deres fund og dets implikationer.

"I denne sammenhæng, det, der inspirerede os til at starte dette arbejde, var det faktum, at i så forskellige situationer, man støder på begrænsningen af ​​eksisterende teoretiske rammer for at studere de osmotiske transporter, " sagde Yoshida. "Det hastede med at udvide de teorier, der gælder for bredere situationer, og på samme tid, det var nødvendigt at udvikle en relevant beregningsmetode til numeriske undersøgelser. Da disse mål var lige så vigtige, vi besluttede at levere de to beskeder som en serie papirer."

Uanset koncentration, der er to forskellige geometriske komponenter til osmotisk flow, som Yoshida og hans kolleger, Sophie Marbach og Lydéric Bocquet, undersøgt:bar osmose og diffusio-osmose. Typisk, de betragtes uafhængigt, men gruppen tog en anden tilgang og så værdi i at forstå, hvordan de forholder sig til hinanden.

"Nogen osmose og diffusio-osmotisk strømning er geometrisk forskellige fænomener:Osmose er en væsketransport over en membran, og diffusio-osmose er en strømning parallelt med faststof-væske-grænsefladen, " sagde Yoshida. "Derfor, disse fænomener behandles normalt uafhængigt. Imidlertid, drivkraften for disse transporter er almindelig, det er forskellen i koncentrationen (eller det kemiske potentiale), og derfor syntes vi, det er vigtigt at undersøge dem sammen. Det, vi ville insistere på, var, at disse to transporter skulle analyseres i en fælles ramme, ved at anvende energibarrieren og det generelle osmotiske tryk."

Ved at bruge denne fælles ramme, de kunne derefter fuldt ud beskrive drivmekanismerne bag den transmembrane transport med kun nogle få matematiske "ingredienser." En sådan samlet tilgang giver mulighed for bredere generaliserbarhed.

"Vi udledte nøje analytiske udtryk, der beskriver disse to vigtige osmotiske transportfænomener, " sagde Yoshida. "Nøglepunkterne, der førte os til disse analytiske udtryk er, (i) modeller af energibarrierer, som giver os mulighed for at beskrive interaktionen mellem opløste partikler og membranerne, med minimum ingredienser; (ii) brugen af ​​et samlet generelt termodynamisk udtryk for det osmotiske tryk, ved at beskrive drivkraften for disse transporter."

Deres teoretiske stringens udvidede sig derefter til simuleringer på molekylært niveau for at verificere teorien, de rapporterer først, understøttet af observationer af reel løsningsdynamik.

"For det andet udførte vi numeriske simuleringer for at verificere vores teoretiske resultater, " sagde Yoshida. "Vi foreslog en ny ikke-ligevægts molekylær dynamisk (NEMD) metode til at realisere simuleringen af ​​molekylær dynamik for den diffusio-osmotiske strømning. Vi validerede metoden både numerisk og teoretisk, og anvendte det på realistiske systemer med vand-ethanolblanding i kontakt med en grafen og en silicaoverflade."

Ifølge Yoshida, dette førte til den første direkte observation af det diffusio-osmotiske strømningshastighedsfelt. De bekræftede, at det analytiske udtryk baseret på deres antagelser forudsagde transportegenskaben af ​​den diffusio-osmotiske strømning.

Selvom så meget arbejde allerede er færdigt, deres resultater har kun givet endnu mere arbejde at gøre - ofte det ideelle resultat af videnskabelig undersøgelse. Værkets brede implikationer skalerer dets potentielle fordele til mere komplekse osmotiske fænomener og uudnyttede applikationer.

"De nuværende teoretiske resultater vil bringe den grundlæggende tilgang til forståelse af forskellige eksperimentelle resultater frem, at estimere virkningerne af osmose og diffusio-osmose i væsketransport over nano-porøse membraner, " sagde Yoshida. "Desuden, den foreslåede NEMD-metode er et meget kraftfuldt værktøj til at udforske forskellige fænomener forårsaget af koncentrationen eller den kemiske potentialgradient. I særdeleshed, diffusio-foretisk transport, der involverer komplekse molekyler, såsom polymerer og polyelektrolytter (DNA), vil blive udforsket næste gang."

Personligt, Yoshida håber at se arbejdet have en positiv indvirkning på energihøst, en industri, der har et kæmpe vækstpotentiale med innovative membraner.

"Der er en hastigt voksende interesse for applikationer, der bruger koncentrationsforskelle eller gradienter til at udvinde strøm, " sagde han. "Et eksempel, der viser potentialet i koncentrationsforskellen, er det faktum, at når fersk flodvand blandes med havvand, frigives en energi svarende til et 270 m højt vandfald. Brugen af ​​membraner med nye materialer til elproduktion er et meget aktivt forskningsemne."