Hvordan vi transporterer vand i vores kroppe inspirerer til ny vandfiltreringsmetode

En tværfaglig gruppe af ingeniører og videnskabsmænd har opdaget en ny metode til vandfiltrering, der kan have konsekvenser for en række forskellige teknologier, såsom afsaltningsanlæg, åndbare og beskyttende stoffer, og kulstoffangst i gasseparationer. Forskerholdet, ledet af Manish Kumar i Cockrell School of Engineering ved University of Texas i Austin, offentliggjort deres resultater i det seneste nummer af Natur nanoteknologi .

Studiet, som samlede forskere fra UT Austin, Penn State University, University of Tennessee, Fudan University og University of Illinois i Urbana-Champaign, var oprindeligt inspireret af den måde, vores celler transporterer vand gennem hele kroppen og begyndte som et forsøg på at udvikle kunstige kanaler til transport af vand over membraner. Målet var at efterligne aquaporiner, essentielle membranproteiner, der tjener som vandkanaler og findes i visse celler. Aquaporiner er hurtige og effektive vandfiltreringssystemer. De danner porer i membranerne af celler i forskellige dele af kroppen - øjne, nyrer og lunger - hvor der er størst efterspørgsel efter vand.

Kumar og holdet formåede ikke at spejle aquaporin-systemet nøjagtigt som planlagt. I stedet, de opdagede en endnu mere effektiv vandfiltreringsproces. I modsætning til kroppens individuelle aquaporinceller, som fungerer uafhængigt af hinanden, membranerne udviklet af Kumars forskergruppe fungerede ikke godt alene.

Men, da han kombinerede flere af dem for at skabe netværk af "vandledninger, " de var yderst effektive til vandtransport og -filtrering. Vandtråde er tæt forbundne kæder af vandmolekyler, der bevæger sig usædvanligt hurtigt, som et tog og dets individuelle biler.

"Vi forsøgte at kopiere den allerede komplicerede vandtransportproces, der blev brugt af aquaporiner og faldt over en helt ny, og endnu bedre, metode, " sagde Kumar, en lektor i Cockrell School's Department of Civil, Arkitekt- og miljøteknik. "Det var fuldstændig serendipitalt. Vi havde ingen anelse om, at det ville ske."

Disse netværk af kunstige membraner kan vise sig nyttige til at adskille salt fra vand, en filtreringsproces, der i øjeblikket er ineffektiv og dyr. Den nye membran har vist imponerende afsaltningsegenskaber, udviser langt mere selektiv salt- og formodentlig fjernelse af andre forurenende stoffer sammenlignet med eksisterende processer.

"Vores metode er tusind gange mere effektiv end nuværende afsaltningsprocesser med hensyn til dens selektivitet og permeabilitet, " sagde Kumar. "For hver 10. 000 saltvandsmolekyler, der passerer gennem nuværende afsaltningssystemer, et saltmolekyle er muligvis ikke filtreret fra. Med vores nye membranteknologi, et saltmolekyle for hver 10 millioner vandmolekyler ville ikke blive filtreret fra, og samtidig opretholde en vandtransporthastighed, der er sammenlignelig med eller bedre end nuværende membraner."

I hele sin karriere, Kumar har fokuseret på at udvikle materialer og processer, der tager funktionaliteten af ​​biologiske molekylære modeller og anvender dem i tekniske skalaer.

"Det er svært overhovedet effektivt at efterligne kompleksiteten af, hvordan den menneskelige krop fungerer, især på molekylært niveau, sagde han. Denne gang, imidlertid, naturen var udgangspunktet for en endnu større opdagelse, end vi nogensinde kunne have håbet på."