Water is misschien wel de meest kritische natuurlijke hulpbron van de aarde. Gezien de toenemende vraag en de steeds verder uitgerekte watervoorraden, wetenschappers zoeken naar meer innovatieve manieren om bestaand water te gebruiken en te hergebruiken, en om nieuwe materialen te ontwerpen om de waterzuiveringsmethoden te verbeteren. Synthetisch gecreëerde semi-permeabele polymeermembranen die worden gebruikt voor het verwijderen van verontreinigende stoffen, kunnen een niveau van geavanceerde behandeling bieden en de energie-efficiëntie van het behandelen van water verbeteren; echter, bestaande kennislacunes beperken transformatieve vooruitgang in membraantechnologie. Een fundamenteel probleem is te leren hoe de affiniteit, of de attractie, tussen opgeloste stoffen en membraanoppervlakken heeft invloed op vele aspecten van het waterzuiveringsproces.

"Vervuiling - waar opgeloste stoffen aan de membranen blijven kleven en deze bederven - vermindert de prestaties aanzienlijk en vormt een groot obstakel bij het ontwerpen van membranen voor de behandeling van geproduceerd water, " zei M. Scott Shell, een professor in chemische technologie aan de UC Santa Barbara, die computationele simulaties van zachte materialen en biomaterialen uitvoert. "Als we fundamenteel kunnen begrijpen hoe de kleverigheid van opgeloste stoffen wordt beïnvloed door de chemische samenstelling van membraanoppervlakken, inclusief mogelijke patronen van functionele groepen op deze oppervlakken, dan kunnen we beginnen met het ontwerpen van de volgende generatie, aangroeibestendige membranen om een ​​breed scala aan opgeloste stoffen af ​​te weren."

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), Shell en hoofdauteur Jacob Monroe, een recente Ph.D. afgestudeerd aan de afdeling en voormalig lid van de onderzoeksgroep van Shell, de relevantie van macroscopische karakteriseringen van de affiniteit van opgeloste stof tot oppervlakte verklaren.

"Interacties tussen de opgeloste stof en het oppervlak in water bepalen het gedrag van een enorm scala aan fysieke verschijnselen en technologieën, maar zijn vooral belangrijk bij de scheiding en zuivering van water, waar vaak veel verschillende soorten opgeloste stoffen moeten worden verwijderd of opgevangen, " zei Monroe, nu een postdoctoraal onderzoeker aan het National Institute of Standards and Technology (NIST). "Dit werk pakt de grote uitdaging aan om te begrijpen hoe membranen van de volgende generatie kunnen worden ontworpen die enorme jaarlijkse hoeveelheden sterk verontreinigde waterbronnen aankunnen, zoals die geproduceerd in olieveldoperaties, waar de concentratie van opgeloste stoffen hoog is en hun chemie behoorlijk divers."

Opgeloste stoffen worden vaak gekarakteriseerd als een gebied van hydrofiel, waarvan kan worden gedacht dat ze van water houden en gemakkelijk in water oplossen, te hydrofoob, of een hekel aan water en de voorkeur geven aan afscheiding van water, zoals olie. Oppervlakken overspannen hetzelfde bereik; bijvoorbeeld, water parelt op hydrofobe oppervlakken en verspreidt zich op hydrofiele oppervlakken. Hydrofiele opgeloste stoffen hechten graag aan hydrofiele oppervlakken, en hydrofobe opgeloste stoffen kleven aan hydrofobe oppervlakken. Hier, bevestigden de onderzoekers de verwachting dat "like sticks to like, " maar ook ontdekt, verrassend genoeg, dat het complete plaatje complexer is.

"Onder het brede scala aan chemicaliën dat we hebben overwogen, we ontdekten dat hydrofiele opgeloste stoffen ook van hydrofobe oppervlakken houden, en dat hydrofobe opgeloste stoffen ook van hydrofiele oppervlakken houden, hoewel deze aantrekkingen zwakker zijn dan die van graag willen, " legde Monroe uit, verwijzend naar de acht opgeloste stoffen die de groep heeft getest, variërend van ammoniak en boorzuur, tot isopropanol en methaan. De groep selecteerde opgeloste stoffen met een klein molecuul die typisch in geproduceerd water worden aangetroffen om een ​​fundamenteel perspectief te bieden op de affiniteit van het opgeloste stof-oppervlak.

De computationele onderzoeksgroep ontwikkelde een algoritme om oppervlakken te herschikken door chemische oppervlaktegroepen te herschikken om de affiniteit van een bepaalde opgeloste stof voor het oppervlak te minimaliseren of te maximaliseren, Of anders, om de oppervlakteaffiniteit van een opgeloste stof ten opzichte van die van een andere te maximaliseren. De aanpak was gebaseerd op een genetisch algoritme dat oppervlaktepatronen "evolueerde" op een manier die vergelijkbaar is met natuurlijke selectie, optimaliseren voor een bepaald functiedoel.

Door middel van simulaties, het team ontdekte dat oppervlakteaffiniteit slecht gecorreleerd was met conventionele methoden voor hydrofobiciteit van opgeloste stoffen, zoals hoe oplosbaar een opgeloste stof is in water. In plaats daarvan, ze vonden een sterker verband tussen oppervlakteaffiniteit en de manier waarop watermoleculen in de buurt van een oppervlak of in de buurt van een opgeloste stof hun structuur veranderen als reactie. In sommige gevallen, deze aangrenzende wateren werden gedwongen om constructies aan te nemen die ongunstig waren; door dichter bij hydrofobe oppervlakken te komen, opgeloste stoffen kunnen dan het aantal van dergelijke ongunstige watermoleculen verminderen, een algemene drijvende kracht voor affiniteit.

"Het ontbrekende ingrediënt was begrijpen hoe de watermoleculen in de buurt van een oppervlak zijn gestructureerd en eromheen bewegen, "zei Monroe. "In het bijzonder, waterstructurele fluctuaties worden versterkt in de buurt van hydrofobe oppervlakken, vergeleken met bulkwater, of het water ver weg van het oppervlak. We ontdekten dat schommelingen de plakkerigheid veroorzaakten van alle kleine soorten opgeloste stoffen die we hebben getest. "

De bevinding is belangrijk omdat het aantoont dat bij het ontwerpen van nieuwe oppervlakken, onderzoekers moeten zich concentreren op de reactie van watermoleculen om hen heen en zich niet laten leiden door conventionele hydrofobiciteitsstatistieken.

Op basis van hun bevindingen, Monroe en Shell zeggen dat oppervlakken die bestaan ​​uit verschillende soorten moleculaire chemie de sleutel kunnen zijn tot het bereiken van meerdere prestatiedoelen, zoals het voorkomen dat een assortiment opgeloste stoffen een membraan vervuilt.

"Oppervlakken met meerdere soorten chemische groepen bieden een groot potentieel. We toonden aan dat niet alleen de aanwezigheid van verschillende oppervlaktegroepen, maar hun rangschikking of patroon, affiniteit met opgeloste stof-oppervlakte beïnvloeden, "Zei Monroe. "Gewoon door het ruimtelijke patroon te herschikken, het mogelijk wordt om de oppervlakteaffiniteit van een bepaalde opgeloste stof aanzienlijk te verhogen of te verlagen, zonder te veranderen hoeveel oppervlaktegroepen aanwezig zijn."

Volgens de ploeg hun bevindingen tonen aan dat computationele methoden op significante manieren kunnen bijdragen aan de volgende generatie membraansystemen voor duurzame waterbehandeling.

"Dit werk gaf gedetailleerd inzicht in de interacties op moleculaire schaal die de affiniteit van opgeloste stoffen regelen, " zei Schel, de John E. Myers Founder's Chair in Chemical Engineering. "Bovendien, het laat zien dat oppervlaktepatronen een krachtige ontwerpstrategie bieden in technische membranen die bestand zijn tegen vervuiling door een verscheidenheid aan verontreinigingen en die precies kunnen bepalen hoe elk type opgeloste stof wordt gescheiden. Als resultaat, het biedt moleculaire ontwerpregels en doelen voor membraansystemen van de volgende generatie die sterk verontreinigd water op een energie-efficiënte manier kunnen zuiveren."

De meeste onderzochte oppervlakken waren modelsystemen, vereenvoudigd om analyse en begrip te vergemakkelijken. De onderzoekers zeggen dat de natuurlijke volgende stap zal zijn om steeds complexere en realistischere oppervlakken te onderzoeken die de werkelijke membranen die bij waterbehandeling worden gebruikt, beter nabootsen. Een andere belangrijke stap om de modellering dichter bij het membraanontwerp te brengen, is om verder te gaan dan alleen maar te begrijpen hoe plakkerig een membraan is voor een opgeloste stof en om de snelheden te berekenen waarmee opgeloste stoffen door membranen bewegen.