Onderzoekers van de Universiteit van Indiana hebben een krachtig nieuw molecuul gemaakt voor de extractie van zout uit vloeistof. Het werk heeft de potentie om de hoeveelheid drinkbaar water op aarde te helpen vergroten.

Gebouwd met behulp van chemische bindingen die voorheen als te zwak werden beschouwd, het nieuwe molecuul is ongeveer tien miljard keer verbeterd in vergelijking met een vergelijkbare structuur die meer dan 10 jaar geleden bij IU werd gecreëerd. Het ontwerp van de moleculen werd op 23 mei gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap .

"Als je een miljoenste van een gram van dit molecuul in een ton water zou plaatsen, 100 procent van hen zal nog steeds in staat zijn om een ​​zout te vangen, " zei Yun Liu, die de studie leidde als een Ph.D. student in het lab van Amar Flood, de James F. Jackson Professor of Chemistry en Luther Dana Waterman Professor in de IU Bloomington College of Arts and Sciences' Department of Chemistry.

Het molecuul is ontworpen om chloride op te vangen, die wordt gevormd wanneer het element chloor paren met een ander element om een ​​elektron te krijgen. Het meest bekende chloridezout is natriumchloride, of gewoon keukenzout. Andere chloridezouten zijn kaliumchloride, calciumchloride en ammoniumchloride.

Terwijl de menselijke bevolking blijft groeien, het sijpelen van zout in zoetwatersystemen vermindert de toegang tot drinkbaar water over de hele wereld. Alleen al in de VS, de U.S. Geological Survey schat 271 ton opgeloste vaste stoffen, inclusief zouten, komen per jaar in zoetwaterstromen. Factoren die bijdragen zijn onder meer de chemische processen die betrokken zijn bij oliewinning, het gebruik van strooizout en waterontharders, en de natuurlijke verwering van gesteente. Er is maar één theelepel zout nodig om vijf liter water permanent te vervuilen.

Het nieuwe zoutextractiemolecuul dat bij IU is gemaakt, bestaat uit zes triazool-"motieven" - vijfledige ringen bestaande uit stikstof, koolstof en waterstof - die samen een driedimensionale "kooi" vormen die perfect is gevormd om chloride op te vangen. In 2008, Flood's lab creëerde een tweedimensionaal molecuul, in de vorm van een platte donut, die vier triazolen gebruikten. De twee extra triazolen geven het nieuwe molecuul zijn driedimensionale vorm, en een tien miljardvoudige toename van de werkzaamheid.

Het molecuul is ook uniek omdat het chloride bindt met behulp van koolstof-waterstofbindingen, voorheen beschouwd als te zwak om stabiele interacties met chloride te creëren in vergelijking met het traditionele gebruik van stikstof-waterstofbindingen. Ondanks de verwachtingen, de onderzoekers ontdekten dat het gebruik van triazolen een kooi creëerde die zo stijf was dat er een vacuüm in het midden ontstond, die chloride-ionen aantrekt.

Daarentegen, kooien met stikstof-waterstofbindingen zijn vaak flexibeler - en het vacuümachtige centrum dat nodig is voor het opvangen van chloride vereist energietoevoer, het verlagen van hun efficiëntie in vergelijking met een op triazool gebaseerde kooi.

"Als je ons molecuul zou nemen en het zou opstapelen tegen andere kooien die [sterkere] bindingen gebruiken, we hebben het over veel ordes van grootte van prestatieverhoging, " zei Flood. "Deze studie toont echt aan dat rigiditeit ondergewaardeerd wordt in het ontwerp van moleculaire kooien."

De stijfheid zorgt er ook voor dat het molecuul zijn vorm behoudt nadat het centrale chloride verloren is gegaan, in vergelijking met andere ontwerpen die onder dezelfde omstandigheden bezwijken vanwege hun flexibiliteit. Dit geeft het molecuul een grotere werkzaamheid en veelzijdigheid.

Het werk is ook reproduceerbaar. Het eerste molecuul duurde bijna een jaar om te synthetiseren, zei Liu, die geschokt was om de kristallen te ontdekken die nodig zijn om de unieke structuur van het molecuul te bevestigen, gevormd nadat het experiment enkele maanden alleen in het laboratorium was gelaten - een verrassende gebeurtenis omdat dit proces doorgaans zorgvuldige monitoring vereist.

De vorming van het kristal vertegenwoordigde een "eureka" -moment, bewijzen dat het unieke ontwerp van het molecuul echt levensvatbaar was. Later, Wei Zhao, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Flood, was in staat om het molecuul in enkele maanden opnieuw te creëren.