Kunstige bio-inspirerede membraner til vandfiltrering

Adgang til rent drikkevand anses for at være en af ​​de største udfordringer i det 21. århundrede, og videnskabsmænd har netop åbnet en vej til nye filtreringsprocesser. Inspireret af cellulære proteiner, de har udviklet membraner med asymmetriske kunstige kanaler i det indre, hvorfra de var i stand til at observere "chiralt" vand1. Kiralitet er en egenskab, der favoriserer strømmen af ​​materialer, der er uundværlige for filtrering. Dette arbejde, udført af CNRS-forskere fra Institut Européen des Membranes (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) og Laboratoire CNRS de Biochimie Théorique, i samarbejde med amerikanske videnskabsmænd, blev udgivet i Videnskabens fremskridt den 23. marts, 2018.

Fra et ønske om at udvikle banebrydende teknologier til vandfiltrering og rensning, forskere har udviklet membraner med kunstige kanaler inspireret af de proteiner, der danner porerne i biologiske membraner:aquaporiner. Ved hjælp af en innovativ spektroskopisk teknik, de har kunnet observere, at i den meget begrænsede plads i disse kanaler, vandmolekyler organiserer sig på en meget regelmæssig måde, i en orienteret molekylær trådstruktur:vandet er blevet "chiralt".

Identifikation af det chirale vand i de kunstige kanaler i disse lipidmembraner, under fysiologiske forhold svarende til naturlige porer, var en tour de force. Dette meget regelmæssige arrangement af molekyler var allerede blevet observeret i faste strukturer af naturlige eller kunstige forbindelser, men er svær at observere i løsning, hvor vandmolekylerne er meget mobile.

Dette "wire" arrangement af vandmolekyler forklares ved polariteten af ​​vandmolekylet konjugeret med kanalernes asymmetri. Vand, via hydrogenbindinger, interagerer med væggene i de kunstige kanaler. I de resulterende overbygninger, molekylerne, der danner kanalerne, overfører deres chirale karakter til vandtrådene, og giv vandmolekylerne en foretrukken retning. Dette førte til forskernes hypotese:Denne kollektive orientering af vandmolekyler spiller sandsynligvis en vigtig rolle i aktiveringen eller udvælgelsen af ​​transport gennem membranen.

Og sandelig, laboratorieforsøg, understøttet af molekylær dynamikberegninger, bekræftet, at disse chirale arrangementer udviser større overførselsegenskaber end deres ikke-chirale ækvivalenter, hvor vand præsenterer tilfældigt molekylært arrangement. Med andre ord, Vandets chiralitet forårsager større mobilitet i nano-kanaler, øget materialetransport, med reduceret ydre energitilførsel.

Denne opdagelse åbner et stort anvendelsesområde for vandfiltrering og -rensning. I øjeblikket, forskerne udvikler omvendt osmose membraner, almindeligvis brugt til at afsalte havvand. De har allerede opnået lovende resultater med hensyn til forbedret membranpermeabilitet og selektivitet, som begge er uundværlige kriterier for filtrering.