Membranen met microscopisch kleine poriën zijn nuttig voor waterfiltratie. Het effect van poriegrootte op waterfiltratie is goed begrepen, net als de rol van ionen, geladen atomen die interageren met het membraan. Voor de eerste keer, onderzoekers hebben met succes de impact beschreven die watermoleculen hebben op andere watermoleculen en op ionen als onderdeel van het filtratiemechanisme. De onderzoekers beschrijven een feedbacksysteem tussen watermoleculen dat nieuwe ontwerpmogelijkheden opent voor zeer selectieve membranen. Toepassingen kunnen virusfilters bevatten.

Synthetische chemie is een vakgebied dat verband houdt met het creëren en verkennen van nieuwe stoffen en materialen die niet in de natuur voorkomen. Soms is een specifieke eigenschap of gedrag van een materiaal vereist voor een toepassing zoals farmaceutische of hightech fabricage. Synthetische chemie kan helpen bij het vinden, geschikte materialen te creëren of te verfijnen. Bijvoorbeeld, voor waterfiltratie zouden zogenaamde synthetische vloeibaar-kristalmembranen kunnen worden gebruikt.

Bij het filteren van water of andere vloeistoffen, het doel is om chemische componenten te scheiden, zoals ionen, van uw doelvloeistof. Het gebruik van een poreus membraan kan hiervoor de primaire methode zijn. Het is intuïtief duidelijk dat gaten in een oppervlak ervoor zorgen dat alles dat groter is dan het gat er niet doorheen kan. Maar geavanceerde membranen zoals synthetische vloeibaar-kristalmembranen kunnen poriën hebben die amper enkele nanometers zijn, miljardsten van een meter, aan de overkant. Op deze schalen membraanfunctionaliteit is meer dan alleen de grootte van een porie.

"Chemie speelt een grote rol in wat er op deze kleine schaal gebeurt, " zei professor Takashi Kato van de afdeling Scheikunde en Biotechnologie aan de Universiteit van Tokyo. "In het geval van waterfiltratie, de poriën zijn zo bemeten dat ze niets groters dan water doorlaten. Echter, er zijn ook elektrostatische krachten tussen ionen en poriën. Als het materiaal correct is ontworpen, deze krachten dienen als een verdere barrière voor ionen, zelfs als ze kleiner zijn dan de poriën. Dit is redelijk goed te begrijpen. Maar er is nog een andere belangrijke stof in het spel die de waterfiltratie kan beïnvloeden, en dat is eigenlijk het watermolecuul zelf."

Professor Yoshihisa Harada van UTokyo's Institute for Solid State Physics en zijn team waren erop uit om volledig te beschrijven wat al lang werd vermoed maar nooit eerder is uitgelegd:hoe watermoleculen op de plaats van een porie interageren met omringende watermoleculen en ionen. Dit is eigenlijk heel belangrijk op deze kleine schaal, waar zelfs subtiele krachten de algehele prestaties van het filtratiemembraan kunnen beïnvloeden. Het is ook uiterst moeilijk om dit soort informatie uit de fysieke systemen te extraheren.

"In theorie zouden we computersimulaties kunnen gebruiken om nauwkeurig te modelleren hoe water zich gedraagt ​​en interageert tijdens filtratie, maar zulke simulaties zouden enorme hoeveelheden supercomputerkracht vergen, "zei Harada. "Dus in ieder geval aanvankelijk, we wendden ons tot een fysieke methode om deze mechanismen te onderzoeken, zogenaamde op synchrotron gebaseerde hoge-resolutie zachte röntgenemissiespectroscopie. Dit was op zich al een uiterst complexe uitdaging."

Dit proces werkt door röntgenstraling te nemen van een synchrotron, een deeltjesversneller, en hen naar het te analyseren monster te leiden. Het voorbeeld, in dit geval de membraan- en watermoleculen, verandert enkele kenmerken van de röntgenstraal, voordat het wordt gedetecteerd en geregistreerd door een sensor met hoge resolutie. De veranderingen die aan de röntgenstraal worden opgelegd, vertellen onderzoekers met een hoge mate van nauwkeurigheid wat er in het monster gebeurde.

"Het is niet makkelijk, " zei Harada. "Vanwege de dunheid van de membranen, de signalen die we verwachtten van de doelwatermoleculen in de poriën zijn moeilijk te onderscheiden van de achtergrondsignalen vanwege het grootste deel van andere watermoleculen. So we had to subtract the background-level signals to make our target signals more visible. But now I am pleased that we can present the first-ever description of water acting as part of its host material. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

"Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, bijvoorbeeld, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, te.

"What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.