Toegang tot schoon drinkwater wordt beschouwd als een van de grootste uitdagingen van de 21e eeuw, en wetenschappers hebben zojuist een weg geopend naar nieuwe filtratieprocessen. Geïnspireerd door cellulaire eiwitten, ze hebben membranen ontwikkeld met asymmetrische kunstmatige kanalen in het interieur, van waaruit ze "chiraal" water konden waarnemen1. Chiraliteit is een eigenschap die de stroom van materialen bevordert die onmisbaar zijn voor filtratie. Dit werk, uitgevoerd door CNRS-onderzoekers van het Institut Européen des Membranes (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) en het Laboratoire CNRS de Biochimie Théorique, in samenwerking met Amerikaanse wetenschappers, werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 23 maart, 2018.

Vanuit de wens om baanbrekende technologieën te ontwikkelen voor waterfiltratie en -zuivering, onderzoekers hebben membranen ontwikkeld met kunstmatige kanalen die zijn geïnspireerd op de eiwitten die de poriën in biologische membranen vormen:aquaporines. Met behulp van een innovatieve spectroscopische techniek, dat hebben ze kunnen constateren, in de zeer beperkte ruimte in deze kanalen, watermoleculen organiseren zich op een zeer regelmatige manier, in een georiënteerde moleculaire draadstructuur:het water is "chiraal" geworden.

Identificatie van het chirale water in de kunstmatige kanalen in deze lipidemembranen, onder fysiologische omstandigheden vergelijkbaar met natuurlijke poriën, was een krachttoer. Deze zeer regelmatige rangschikking van moleculen was al waargenomen in vaste structuren van natuurlijke of kunstmatige verbindingen, maar is moeilijk waar te nemen in oplossing, waar de watermoleculen erg mobiel zijn.

Deze "draad"-rangschikking van watermoleculen wordt verklaard door de polariteit van het watermolecuul geconjugeerd met de asymmetrie van de kanalen. Water, via waterstofbruggen, interageert met de wanden van de kunstmatige kanalen. In de resulterende bovenbouw, de moleculen die de kanalen vormen, geven hun chirale karakter door aan de waterdraden, en geef de watermoleculen een voorkeursrichting. Dit leidde tot de hypothese van de onderzoekers:deze collectieve oriëntatie van watermoleculen speelt waarschijnlijk een belangrijke rol bij de activering of de selectie van transport door het membraan.

En inderdaad, laboratorium experimenten, ondersteund door moleculaire dynamische berekeningen, bevestigde dat deze chirale arrangementen grotere overdrachtseigenschappen hebben dan hun niet-chirale equivalenten, waar water een willekeurige moleculaire rangschikking vertoont. Met andere woorden, de chiraliteit van het water zorgt voor een grotere mobiliteit in nanokanalen, het stimuleren van materiaaltransporten, met een verminderde externe energie-input.

Deze ontdekking opent een enorm toepassingsgebied voor waterfiltratie en -zuivering. Momenteel, de onderzoekers ontwikkelen membranen voor omgekeerde osmose, vaak gebruikt om zeewater te ontzilten. Ze hebben al veelbelovende resultaten behaald in termen van verbeterde membraanpermeabiliteit en selectiviteit, die beide onmisbare criteria voor filtratie zijn.