Opbygning af en bedre saltlås:Forskere syntetiserer et molekylærbur for at fange klorid

Indiana University forskere har skabt et kraftfuldt nyt molekyle til ekstraktion af salt fra væske. Arbejdet har potentiale til at øge mængden af ​​drikkebart vand på Jorden.

Bygget ved hjælp af kemiske bindinger, der tidligere blev betragtet som for svage, det nye molekyle er omkring ti milliarder gange forbedret i forhold til en lignende struktur skabt for over 10 år siden ved IU. Molekylernes design blev rapporteret 23. maj i journalen Videnskab .

"Hvis du skulle placere en milliontedel af et gram af dette molekyle i et ton vand, 100 procent af dem vil stadig være i stand til at fange et salt, "sagde Yun Liu, der ledede undersøgelsen som ph.d. studerende i laboratoriet af Amar Flood, James F. Jackson professor i kemi og Luther Dana Waterman professor ved IU Bloomington College of Arts and Sciences 'afdeling for kemi.

Molekylet er designet til at fange klorid, som dannes, når elementet chlor parres med et andet element for at få en elektron. Det mest kendte kloridsalt er natriumchlorid, eller almindeligt bordsalt. Andre kloridsalte er kaliumchlorid, calciumchlorid og ammoniumchlorid.

På samme tid som den menneskelige befolkning fortsætter med at vokse, nedsivning af salt i ferskvandssystemer reducerer adgangen til drikkevand over hele kloden. Alene i USA, den amerikanske geologiske undersøgelse anslår 271 tons opløste faste stoffer, herunder salte, komme ind i ferskvandstrømme om året. Bidragende faktorer omfatter de kemiske processer, der er involveret i olieudvinding, brug af vejsalte og vandblødgørere, og den naturlige forvitring af sten. Det kræver kun en teskefuld salt for permanent at forurene fem liter vand.

Det nye saltekstraktionsmolekyle, der er skabt ved IU, består af seks triazol "motiver"-femledede ringe bestående af nitrogen, kulstof og brint-som tilsammen danner et tredimensionelt "bur" perfekt formet til at fange klorid. I 2008, Flood's lab skabte et todimensionalt molekyle, formet som en flad doughnut, som brugte fire triazoler. De to ekstra triazoler giver det nye molekyle sin tredimensionelle form, og ti milliarder gange øget effektivitet.

Molekylet er også unikt, fordi det binder chlorid ved hjælp af carbon-hydrogenbindinger, tidligere betragtet som for svag til at skabe stabile interaktioner med chlorid sammenlignet med den traditionelle anvendelse af nitrogen-hydrogenbindinger. Trods forventninger, forskerne fandt, at brugen af ​​triazoler skabte et bur så stift, at det dannede et vakuum i midten, som trækker chloridioner ind.

Derimod, bure med nitrogen-hydrogenbindinger er ofte mere fleksible-og det vakuumlignende center, der er nødvendigt for kloridopsamling, kræver energiindgang, sænke deres effektivitet sammenlignet med et triazolbaseret bur.

"Hvis du skulle tage vores molekyle og stable det op mod andre bure, der bruger [stærkere] bindinger, vi taler mange af størrelsesordenen for præstationsforøgelse, "sagde Flood." Denne undersøgelse viser virkelig, at stivhed er undervurderet i designet af molekylære bure. "

Stivheden gør det også muligt for molekylet at bevare sin form, efter at det centrale chlorid er gået tabt, sammenlignet med andre designs, der falder sammen under de samme omstændigheder på grund af deres fleksibilitet. Dette giver molekylet større effektivitet og alsidighed.

Værket er også reproducerbart. Det første molekyle tog næsten et år at syntetisere, sagde Liu, som var chokeret over at opdage de krystaller, der var nødvendige for at bekræfte molekylets unikke struktur, der blev dannet, efter at forsøget blev efterladt alene i laboratoriet i flere måneder - en overraskende begivenhed, da denne proces typisk kræver omhyggelig overvågning.

Krystallens dannelse repræsenterede et "eureka" -moment, at bevise molekylets unikke design var faktisk levedygtigt. Senere, Wei Zhao, en postdoktor i Floods laboratorium, var i stand til at genskabe molekylet på flere måneder.