Een natuurlijk raadsel van waterfiltratie oplossen

Voor veel ingenieurs en wetenschappers is de natuur de grootste muze ter wereld. Ze proberen natuurlijke processen die zich in de loop van miljoenen jaren hebben ontwikkeld beter te begrijpen, ze na te bootsen op manieren die de samenleving ten goede kunnen komen en soms zelfs verbeteren.

Een internationaal, interdisciplinair team van onderzoekers, waaronder ingenieurs van de Universiteit van Austin, heeft een manier gevonden om een ​​natuurlijk proces te repliceren dat water tussen cellen verplaatst, met als doel de manier te verbeteren waarop we zout en andere elementen en moleculen eruit filteren om schoon water te creëren terwijl minder energie verbruiken.

In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, onderzoekers creëerden een watertransportkanaal ter grootte van een molecuul dat water tussen cellen kan transporteren, terwijl protonen en ongewenste moleculen worden uitgesloten. Deze kanalen bootsen de watertransportfuncties na van eiwitten in ons lichaam die bekend staan ​​als aquaporines. In onze cellen kan ongecontroleerd transport van protonen naast water schadelijk zijn, omdat ze de pH van cellen kunnen veranderen en ze mogelijk kunnen verstoren of doden.

Dit is het eerste exemplaar van een kunstmatig kanaal van nanometergrootte dat de belangrijkste watertransportkenmerken van deze biologische waterkanalen echt kan nabootsen. En het zou het vermogen van membranen kunnen verbeteren om ongewenste moleculen en elementen efficiënt uit te filteren, terwijl het watertransport wordt versneld, waardoor het goedkoper wordt om een ​​schone toevoer te creëren.

“Het kopieert de natuur, maar het doet dit door de regels te overtreden die de natuur heeft opgesteld”, zegt Manish Kumar, een assistent-professor aan de afdeling Civiele Techniek, Bouwkunde en Milieutechniek van de Cockrell School of Engineering. “Deze kanalen vergemakkelijken het snelle transport van moleculen die je wilt, zoals water, en blokkeren de moleculen die je niet wilt, zoals zout.”

De kunstmatige waterkanalen van het onderzoeksteam kunnen dezelfde functies vervullen als aquaporines, die op een groter niveau cruciaal zijn voor ontzilting, waterzuivering en andere processen voor het scheiden van moleculen. En dat terwijl ze water 2,5 keer sneller transporteren in vergelijking met aquaporines.

De kunstmatige kanalen zijn drie nanometer breed en drie nanometer lang. Als ze dicht opeengepakt zijn in het membraan van de juiste maat, kunnen de kanalen ongeveer 80 kilogram water per seconde per vierkante meter membraan doorlaten, terwijl ze zouten en protonen afstoten met snelheden die veel hoger zijn dan de huidige commerciële ontziltingsmembranen.

“Deze kunstmatige kanalen lossen in wezen de kritische technische uitdagingen op om alleen watermoleculen door te laten en andere opgeloste stoffen zoals zout en protonen uit te sluiten”, zei professor Huaqiang Zeng van de afdeling Chemie aan de Hainan University en het Institute of Advanced Synthesis aan de Northwestern Polytechnical University in China. “Hun buitengewone watertransportsnelheid en het feit dat deze kanalen een eenvoudigere membraanfabricage mogelijk maken, suggereren dat ze een cruciaal onderdeel zullen worden van de volgende generatie membranen voor het produceren van schoon water om de ernstige schaarste waarmee de mens in deze eeuw wordt geconfronteerd, aan te pakken.”

Kanalen op basis van aquaporine zijn zo klein dat ze maar één molecuul water tegelijk doorlaten, zoals een weg met één rijstrook. Een uniek structureel kenmerk van deze nieuwe kanalen is een reeks plooien in de kanalen die als het ware extra “banen” creëren, waardoor watermoleculen sneller kunnen worden getransporteerd.

“Je gaat van een landweg naar een snelweg in termen van transportsnelheid over het water, terwijl je nog steeds andere dingen buiten houdt door kleine hobbels in de weg te zetten”, zegt Aleksei Aksimentiev, een professor in biologische fysica aan de Universiteit van Illinois in Urbana. -Champagne die meewerkte aan het onderzoek.

Kumar volgde een les van Aksimentiev over de fysica van nanomachines terwijl hij studeerde voor zijn Ph.D. in milieutechniek aan de Universiteit van Illinois. De cursus, zei hij, was ongeveer net zo uitdagend als hij komt, en hij verwijst jaren later nog steeds terug naar zijn aantekeningen uit de klas.

Ze werkten samen aan een paper toen Kumar nog een student was. En toen hij professor werd, hielp Aksimentiev hem met simulatiewerk op een ander papier. Ze werken al jaren mee aan de studie van watertransportkanalen.

Het interdisciplinaire team bestaat uit docenten en onderzoekers van over de hele wereld in natuurkunde, chemische technologie, farmacologie en meer. Onderzoekers komen van UT Austin, University of Illinois, Harvard Medical School, Hainan University en Northwestern Polytechnical University in China en NanoBio Lab in Singapore.

Zeng is de corresponderende auteur op papier. Kumar leidde het testgedeelte van het project en Aksimentiev leidde het simulatiewerk.

Eerder dit jaar werkte Kumar samen met onderzoekers van Penn State University aan een ontdekking die een nieuw licht werpt op de werking van traditionele membranen voor waterontzilting. Ze ontdekten dat uniformiteit door het membraan het transport van water versnelt en het proces van het filteren van zout verbetert.

Dit nieuwe werk, zegt Kumar, tilt dat concept naar een ander niveau. Deze kanalen kunnen maar één maat hebben om de gewenste watermoleculen door te laten terwijl andere ongewenste moleculen eruit worden geperst.

In de toekomst is het team van plan om deze kunstmatige waterkanalen te gebruiken om de volgende generatie omgekeerde osmose-membranen te fabriceren om zeewater om te zetten in drinkbaar water.