Aktiv sigtning kunne forbedre dialyse- og vandrensningsfiltre

Fysikere fra École Normale Supérieure og Paris Science and Letters University i Frankrig har teoretisk bevist, at aktiv sigtning, i modsætning til dens passive modstykke, kan forbedre filtreringssystemernes separationsevner. Disse nye synspunkter på, hvordan aktiv sigtning kunne forbedre systemer som dem, der bruges til vandrensning og dialyse, blev rapporteret i denne uge i Journal of Chemical Physics . Aktiv sigtning har også potentialet til at filtrere molekyler baseret på bevægelsesdynamik, åbner en helt ny vej inden for membranvidenskab baseret på evnen til at indstille osmotisk tryk.

Sigter, fra køkkendøre til komplekse dialysemaskiner, alle har "passive" porer til at bortfiltrere uønskede molekyler fra det ønskede produkt. Mens at si spaghetti er et simpelt eksempel, filtrering af specifikke molekyler på nanoskalaniveau til biomedicinske anvendelser og til produktion af rent vand er en kompleks og omkostningsfuld proces. Eventuelle forbedringer af denne proces er genstand for meget undersøgelse.

Aktiv sigtning erstatter de passive huller i en si med dørlignende åbninger, der åbner og lukker efter eksterne kommandoer. Disse aktive porer kan præcist skelne mellem molekyler og tændes og slukkes afhængigt af de nøjagtige sigteforhold. Derfor, aktiv sigtning giver et niveau af dynamisk kontrol, som vi ikke har i nuværende filtreringssystemer.

Forskerne undersøgte nogle få typer eksterne kommandoer til at kontrollere dørene til en sigtes porer, inklusive en mekanisk 'rystelse' og et elektrisk signal til at ændre ladningen, der beskytter døråbningerne.

"Vi sammensætter en generel ramme for at beskrive huller i membranen, der har en form for dynamisk aspekt, som du kan ændre eksternt, " sagde Sophie Marbach på École Normale Supérieure. "Det er et spændende forslag, fordi det er et nyt koncept, og vi ved ikke, hvad det vil føre til."

En af mulighederne er, at molekyler aktivt kan sorteres, dvs. sortere de hurtigt bevægende molekyler adskilt fra de langsomme baseret på deres dynamiske egenskaber. Dette ville være nyttigt til at skelne mellem meget lignende molekyler og er allerede kendt for at forekomme i naturen. For eksempel, KscA-poren, en kaliumkanal, der findes i jordbakterier, menes at vælge kalium ved hjælp af dets hastighed for at skelne det fra det meget samme størrelse og ladede natrium.

Et filters "osmotiske tryk" er afgørende for, at molekyler kan bevæge sig gennem nanoporerne, men aktivt skiftende porer ændrer det osmotiske tryk og ændrer status quo. Dette tyder på, at justeringen af ​​det osmotiske tryk kunne udnyttes til yderligere at udvikle sigteteknikker.

"Fordi den teoretiske ramme er på et tidligt tidspunkt, er det ikke oplagt at kende konsekvenserne af, hvad der vil ske, " sagde Marbach. "Der er en masse teoretiske spørgsmål, der dvæler rundt."