Løsning af en naturlig gåde med vandfiltrering

For mange ingeniører og videnskabsmænd, naturen er verdens største muse. De søger bedre at forstå naturlige processer, der har udviklet sig over millioner af år, efterligne dem på måder, der kan gavne samfundet og nogle gange endda forbedre dem.

En international, tværfagligt team af forskere, der omfatter ingeniører fra University of Austin, har fundet en måde at replikere en naturlig proces, der flytter vand mellem celler, med et mål om at forbedre, hvordan vi filtrerer salt og andre grundstoffer og molekyler fra for at skabe rent vand, mens vi bruger mindre energi.

I et nyt blad offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi, forskere skabte en vandtransportkanal på størrelse med molekyler, der kan transportere vand mellem celler og samtidig udelukke protoner og uønskede molekyler. Disse kanaler efterligner vandtransportfunktionerne af proteiner i vores kroppe kendt som aquaporiner. I vores celler, ukontrolleret transport af protoner langs med vand kan være skadelig, fordi de kan ændre pH i celler, potentielt forstyrre eller dræbe dem.

Dette er den første forekomst af en kunstig kanal på nanometerstørrelse, der virkelig kan efterligne de vigtigste vandtransportegenskaber i disse biologiske vandkanaler. Og det kunne forbedre membranernes evne til effektivt at bortfiltrere uønskede molekyler og grundstoffer, samtidig med at vandtransporten fremskyndes, gør det billigere at skabe en ren forsyning.

"Det kopierer naturen, men det gør det ved at bryde de regler, naturen har fastsat, " sagde Manish Kumar, en assisterende professor i Cockrell School of Engineering's Department of Civil, Arkitekt- og miljøteknik. "Disse kanaler letter hurtig transport af molekyler, du ønsker, som vand, og bloker dem du ikke vil have, som salt."

Forskerholdets kunstige vandkanaler kan udføre de samme funktioner som aquaporiner, som er afgørende på et større niveau for afsaltning, vandrensning og andre processer til adskillelse af molekyler. Og det gør de, mens de transporterer vand 2,5 gange hurtigere sammenlignet med aquaporiner.

De kunstige kanaler er tre nanometer i bredden og tre nanometer i længden. Hvis den er tæt pakket ind i den korrekte størrelse membran, kanalerne kan passere omkring 80 kg vand pr. sekund pr. kvadratmeter membran, mens de afviser salte og protoner med hastigheder, der er meget højere, end de nuværende kommercielle afsaltningsmembraner er i stand til.

"Disse kunstige kanaler løser i bund og grund de kritiske tekniske udfordringer ved kun at tillade vandmolekyler at passere, mens andre opløste stoffer som salt og protoner udelukkes, " sagde professor Huaqiang Zeng fra Institut for Kemi ved Hainan University og Institute of Advanced Synthesis ved Northwestern Polytechnical University i Kina. "Deres ekstraordinære vandtransporthastighed og det faktum, at disse kanaler muliggør enklere membranfremstilling, tyder på, at de vil blive en afgørende komponent i næste generations membraner til fremstilling af rent vand for at imødegå den alvorlige knaphed, som mennesker står over for i dette århundrede."

Aquaporin-baserede kanaler er så små, at de kun tillader et enkelt molekyle vand igennem ad gangen, som en enkeltsporet vej. Et unikt strukturelt træk ved disse nye kanaler er en række folder i kanalerne, der skaber yderligere "baner, " så at sige, gør det muligt at transportere vandmolekyler hurtigere.

"Du går fra en landevej til en motorvej med hensyn til vandtransporthastighed, mens du stadig holder andre ting ude ved at sætte små bump på vejen, " sagde Aleksei Aksimentiev, en professor i biologisk fysik ved University of Illinois i Urbana-Champaign, som samarbejdede om forskningen.

Kumar tog en klasse undervist af Aksimentiev om nanomaskiners fysik, mens han studerede til sin ph.d. i miljøteknik ved University of Illinois. Kurset, han sagde, var omtrent lige så udfordrende som det kommer, og han henviser stadig tilbage til sine notater fra klassen år senere.

De arbejdede sammen på et papir, da Kumar var studerende. Og da han så blev professor, Aksimentiev hjalp ham med simuleringsarbejde på et andet papir. I årevis nu, de har samarbejdet om undersøgelsen af ​​vandtransportkanaler.

Det tværfaglige team omfatter fakulteter og forskere fra hele verden inden for fysik, kemiteknik, farmakologi og meget mere. Forskere kommer fra UT Austin, University of Illinois, Harvard Medical School, Hainan University og Northwestern Polytechnical University i Kina og NanoBio Lab i Singapore.

Zeng er den tilsvarende forfatter på papiret. Kumar ledede testdelen af ​​projektet, og Aksimentiev ledede simuleringsarbejdet.

Tidligere i år, Kumar gik sammen med forskere fra Penn State University om en opdagelse, der kastede nyt lys over, hvordan traditionelle vandafsaltningsmembraner fungerer. De fandt ud af, at ensartethed i hele membranen fremskynder transporten af ​​vand og forbedrer processen med at filtrere salt fra.

Dette nye værk, Kumar siger, tager det koncept til et andet niveau. Disse kanaler kan kun være en størrelse for at passe de ønskede vandmolekyler igennem, mens de klemmer andre uønskede molekyler ud.

Fremadrettet, holdet planlægger at bruge disse kunstige vandkanaler til at fremstille næste generations omvendt osmose-membraner til at omdanne havvand til drikkevand.