Vyřešte přirozenou hádanku filtrace vody, abyste vytvořili čistou vodu a přitom spotřebovali méně energie

Tyto skládací kanály pomáhají transportovat vodu a blokovat nežádoucí molekuly jako sůl. Uznání: The University of Texas at the Austin / Cockrell School of Engineering

Pro mnoho inženýrů a vědců je příroda největší múzou na světě. Snaží se lépe porozumět přírodním procesům, které se vyvíjely miliony let, napodobovat je způsoby, které prospívají společnosti a někdy ji dokonce zlepšují.

Mezinárodní interdisciplinární tým vědců, včetně inženýrů z University of Austin, našel způsob, jak replikovat přirozený proces, který pohybuje vodou mezi buňkami, s cílem zlepšit filtraci soli a dalších prvků a molekul, aby byla čistá. generovat spotřebu vody méně energie.

V novém článku zveřejněném dnes (20. Května 2021) v Přírodní nanotechnologieVědci vytvořili vodní transportní kanál o velikosti vody, který dokáže transportovat vodu mezi buňkami, přičemž vylučuje protony a nežádoucí molekuly. Tyto kanály napodobují vodní transportní funkce proteinů v našem těle známých jako aquaporiny. V našich buňkách může být nekontrolovaný transport protonů kromě vody škodlivý, protože mění hodnotu pH buněk a může je potenciálně zničit nebo zabít.

Toto je první instance kanálu v umělém nanometru, který může skutečně napodobit klíčové vlastnosti přenosu vody těchto biologických vodních kanálů. A mohlo by to zlepšit schopnost membrán účinně odfiltrovat nežádoucí molekuly a prvky a zároveň urychlit transport vody, což zlevní vytvoření čistého zdroje.

Přeložené kanály pomáhají transportovat vodu a blokovat nežádoucí molekuly

Tyto skládací kanály pomáhají transportovat vodu a blokovat nežádoucí molekuly jako sůl. Uznání: The University of Texas at the Austin / Cockrell School of Engineering

„Kopíruje přírodu, ale porušuje pravidla, která příroda vytvořila,“ řekl Manish Kumar, odborný asistent na katedře civilního, architektonického a environmentálního inženýrství na Cockrell School of Engineering. „Tyto kanály umožňují rychlý transport molekul, které chcete, jako je voda, a blokují ty, které se vám nelíbí, jako sůl.“

Umělé vodní kanály výzkumného týmu mohou plnit stejné funkce jako aquaporiny, které jsou životně důležité na vyšší úrovni pro odsolování, čištění vody a další procesy pro oddělování molekul. A to s 2,5krát rychlejším transportem vody ve srovnání s aquaporiny.

Umělé kanály jsou tři nanometry široké a tři nanometry dlouhé. Když jsou kanály pevně zabaleny do membrány správné velikosti, mohou projít kolem 80 kilogramů vody za sekundu na metr čtvereční membrány, přičemž vylučují soli a protony mnohem rychleji než v současnosti komerčně dostupné odsolovací membrány.

„Tyto člověkem vytvořené kanály v podstatě řeší kritické inženýrské výzvy spočívající v tom, že pouze nechají projít molekuly vody, přičemž vylučují jiné rozpuštěné látky, jako je sůl a protony,“ řekl profesor Huaqiang Zeng z katedry chemie na Hainanské univerzitě a Ústavu pokročilé syntézy na Northwestern Polytechnical University v Číně. „Jejich výjimečná rychlost transportu vody a skutečnost, že tyto kanály umožňují snadnější výrobu membrán, naznačují, že se stanou kritickou součástí membrán příští generace pro výrobu čisté vody, která bude řešit vážný lidský nedostatek tohoto století.“

Kanály na bázi aquaporinu jsou tak malé, že propouštějí pouze jednu molekulu vody najednou, jako je silnice s jedním pruhem. Jedinečnou strukturální vlastností těchto nových kanálů je řada záhybů v kanálech, které vytvářejí takříkajíc další „stopy“, které umožňují rychlejší transport molekul vody.

„Jezdíte po venkovské silnici na dálnici, pokud jde o rychlost vodní dopravy, a zároveň nedržíte jiné věci tím, že na silnici uděláte malé hrboly,“ řekl Aleksei Aksimentiev, profesor biologické fyziky na kampani University of Illinois v Urbana. kteří přispěli k výzkumu.

Kumar během studia na doktorát navštěvoval třídu fyziky nanostrojů, kterou vyučoval Aksimentiev. v oboru environmentálního inženýrství na University of Illinois. Kurz, jak řekl, byl asi tak náročný, jak přijde, a po letech pokračoval v odkazování na své poznámky ze třídy.

Když byl Kumar studentem, společně pracovali na papíře. A když se stal profesorem, pomohl mu Aksimentiev provést simulační práci na jiném článku. Na vyšetřování vodních dopravních kanálů pracují roky.

Interdisciplinární tým se skládá z fakult a výzkumných pracovníků z celého světa z oblasti fyziky, chemického inženýrství, farmakologie a dalších. Vědci pocházejí z UT Austin, University of Illinois, Harvard Medical School, Hainan University a Northwestern Polytechnical University v Číně a laboratoře NanoBio v Singapuru.

Zeng je vhodný autor na papíře. Kumar vedl testovací část projektu a Aksimentiev simulační práci.

Začátkem tohoto roku vědci z Kumar a Penn State University objevili nový pohled na to, jak fungují tradiční membrány pro odsolování vody. Zjistili, že uniformita v celé membráně zrychluje transport vody a zlepšuje proces odfiltrování soli.

Tato nová práce, říká Kumar, posouvá tento koncept na jinou úroveň. Tyto kanály mohou mít pouze jednu velikost, aby pronikly požadovanými molekulami vody a zároveň vytlačily další nežádoucí molekuly ven.

V budoucnu tým plánuje využít tyto umělé vodní kanály k vytvoření membrán reverzní osmózy nové generace pro převod mořské vody na pitnou vodu.

Reference: 20. května 2021, Přírodní nanotechnologie.
DOI: 10.1038 / s41565-021-00915-2

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Drsná kůra, která se v noci ozývá, vede k objevení nových druhů

V lesích západní a střední Afriky se v noci ozývají hlasitá volání hybridů stromů - malých, býložravých savců, ale jejich zvuk se liší podle...

Nástroj Nový nástroj určený k podpoře vývoje a vývoje automobilových vozidel

Schematický vnitřní provoz elektrod v palivovém článku և kapacita základních parametrů. Půjčka:Heinz a kol., 2021: Široké používání tradičních vozidel na vodíkový pohon nad tradičními...

Identifikace velmi počátečních kroků, které vedou k rozvoji rakoviny

Konfokální mikrofotografie tenkého střeva myši pomocí technologie Red2Onco. S Red2Onco můžete označit onkogenní mutantní klony (červené klony) a běžné nebo divoké klony (žluté...

Neandertálci a raná moderní lidská kultura koexistovali vedle starších tradic již více než 100 000 let

Výzkum Fakulty antropologie a ochrany na University of Kent zjistil, že jedna z prvních kultur kamenných nástrojů známá jako Acheulean trvala pravděpodobně o desítky...

Snadná věda: co jsou sterilní neutrina?

Sterilní neutrina jsou speciální typ neutrin, který byl navržen k vysvětlení některých neočekávaných experimentálních výsledků, ale nakonec nebyl objeven. Vědci je hledají v...

Newsletter

Subscribe to stay updated.