Meget selektive membraner:Forskere opdager, hvordan vand kan påvirke sin egen filtrering

Membraner med mikroskopiske porer er nyttige til vandfiltrering. Effekten af ​​porestørrelse på vandfiltrering er velkendt, ligesom ionernes rolle, ladede atomer, der interagerer med membranen. For første gang, forskere har med succes beskrevet den indvirkning vandmolekyler har på andre vandmolekyler og på ioner som en del af filtreringsmekanismen. Forskerne beskriver et feedbacksystem mellem vandmolekyler, der åbner op for nye designmuligheder for meget selektive membraner. Programmer kan omfatte virusfiltre.

Syntetisk kemi er et studieområde relateret til skabelse og udforskning af nye stoffer og materialer, der ikke findes i naturen. Nogle gange kræves en specifik egenskab eller opførsel af et materiale til en applikation som f.eks. farmaceutisk eller højteknologisk fremstilling. Syntetisk kemi kan hjælpe med at finde, skabe eller forfine egnede materialer. For eksempel, såkaldte syntetiske flydende krystalmembraner kunne bruges til vandfiltrering.

Ved filtrering af vand eller andre væsker, Målet er at adskille kemiske komponenter, såsom ioner, fra din målvæske. Brug af en porøs membran kan være den primære metode til at gøre dette. Det er intuitivt indlysende, at huller i en overflade forhindrer noget større end hullet i at passere igennem. Men avancerede membraner som syntetiske flydende krystalmembraner kan have porer, der er knap et par nanometer, milliardtedele af en meter, et kors. På disse skalaer, der er mere til membranfunktionalitet end blot størrelsen af ​​en pore.

"Kemi spiller en stor rolle i, hvad der sker i disse små skalaer, "sagde professor Takashi Kato fra Institut for Kemi og Bioteknologi ved University of Tokyo." I tilfælde af vandfiltrering, porerne er dimensioneret til at lade intet større end vand passere igennem. Imidlertid, der er også elektrostatiske kræfter mellem ioner og porer. Hvis materialet er konstrueret korrekt, disse kræfter tjener som en yderligere barriere for ioner, selvom de er mindre end porerne. Dette er ret godt forstået. Men der er endnu et vigtigt stof på spil, som kan påvirke vandfiltrering, og det er faktisk selve vandmolekylet. "

Professor Yoshihisa Harada fra UTokyo's Institute for Solid State Physics og hans team havde sat sig for fuldt ud at beskrive, hvad der længe har været mistænkt, men som aldrig er blevet forklaret før:hvordan vandmolekyler på stedet for en pore interagerer med omgivende vandmolekyler og ioner. Dette er faktisk meget vigtigt på denne minutskala, hvor selv subtile kræfter kan påvirke den overordnede ydeevne af filtreringsmembranen. Det er også ekstremt svært at udtrække denne form for information fra de fysiske systemer.

"I teorien kunne vi bruge computersimuleringer til nøjagtigt at modellere, hvordan vand opfører sig og interagerer under filtrering, men sådanne simuleringer ville kræve enorme mængder supercomputerkraft, " sagde Harada. "Så i det mindste i begyndelsen, vi vendte os til en fysisk metode til at udforske disse mekanismer, kaldes synkrotronbaseret højopløselig blød røntgenemissionsspektroskopi. Dette var i sig selv en ekstremt kompleks udfordring."

Denne proces virker ved at tage røntgenemissioner fra en synkrotron, en partikelaccelerator, og dirigerer dem til prøven under analyse. prøven, i dette tilfælde membranen og vandmolekylerne, ændrer nogle karakteristika ved røntgenstrålen, før det detekteres og registreres af en højopløsningssensor. Ændringerne pålagt røntgenstrålen fortæller forskerne, hvad der skete i prøven, med en høj grad af nøjagtighed.

"Det er ikke nemt, " sagde Harada. "På grund af membranernes tynde, the signals we expected from the target water molecules in the pores are hard to differentiate from the background signals due to the bulk of other water molecules. So we had to subtract the background-level signals to make our target signals more visible. But now I am pleased that we can present the first-ever description of water acting as part of its host material. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

"Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, for eksempel, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, også.

"What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.