Osmose, het vloeiende fenomeen dat verantwoordelijk is voor talloze slakkendoden door ondeugende kinderen, is van fundamenteel belang, niet alleen voor een groot deel van de biologie, maar ook voor techniek en industrie. Het meest eenvoudig gezegd, osmose verwijst naar de vloeistofstroom door een membraan aangedreven door een (opgeloste) concentratieverschil - zoals water uit de cellen van een gezouten slak of geabsorbeerd door de wortels van planten.

De huidige theorie die het door osmose aangedreven gedrag beschrijft, maakt de meest nauwkeurige voorspellingen voor lage concentraties, waardoor de toepasbaarheid voor veel gebruik in de echte wereld wordt beperkt. Naarmate de belangstelling voor onderzoek en ontwikkeling van osmotisch afhankelijke processen groeit, en verbreedt, dat geldt ook voor de behoefte aan een meer gedetailleerd theoretisch begrip van de deterministische mechanismen.

Nieuw onderzoek biedt nu dit grondige inzicht, verschijnen als een paar publicaties deze week in de Tijdschrift voor Chemische Fysica , van AIP Publishing. Het eerste artikel deconstrueert de moleculaire mechanica van osmose met hoge concentraties, en generaliseert de bevindingen om gedrag voor willekeurige concentraties te voorspellen. Het tweede deel van de studie simuleert vervolgens via moleculaire modellering twee belangrijke vormen van osmotische stroming op een breed bruikbare manier.

"Osmotisch transport aangedreven door verschil in zoutgehalte vindt plaats in veel biologische systemen, en het wordt ook gebruikt in verschillende industriële toepassingen, " zei Hiroaki Yoshida van ENS in Frankrijk, co-auteur van de gekoppelde publicaties. "De recente interesse in toepassingen op micro- en nanofluïdische apparaten, zoals voor ontzilting, energie oogsten, en biomedische technologie, om er een paar te noemen, stimuleert de groei van dit onderzoeksveld."

De groep besloot dat twee publicaties een grondiger en nuttiger overzicht zouden geven van hun bevindingen en de implicaties ervan.

"In deze context, wat ons inspireerde om met dit werk te beginnen, was het feit dat, in zulke uiteenlopende situaties, men stuit op de beperking van bestaande theoretische kaders voor het bestuderen van de osmotische transporten, Yoshida zei. "Het was dringend nodig om de theorieën die van toepassing zijn op bredere situaties uit te breiden, en op hetzelfde moment, het was noodzakelijk om een ​​relevante rekenmethode te ontwikkelen voor numerieke studies. Omdat deze doelen even belangrijk waren, we besloten om de twee berichten als een reeks papieren af ​​te leveren."

Ongeacht de concentratie, er zijn twee verschillende geometrische componenten voor osmotische stroming die Yoshida en zijn collega's, Sophie Marbach en Lydéric Bocquet, onderzocht:kale osmose en diffusio-osmose. Typisch, ze worden onafhankelijk beschouwd, maar de groep nam een ​​andere benadering en zag waarde in het begrijpen van hoe ze zich tot elkaar verhouden.

"Blote osmose en diffusio-osmotische stroming zijn geometrisch verschillende fenomenen:osmose is een vloeistoftransport door een membraan, en diffusio-osmose is een stroom evenwijdig aan het grensvlak vast-vloeistof, " zei Yoshida. "Daarom, deze verschijnselen worden meestal onafhankelijk aangepakt. Echter, de drijvende kracht achter deze transporten is gebruikelijk, dat is het verschil in concentratie (of chemische potentiaal), en daarom vonden we het belangrijk om ze samen te onderzoeken. Waar we op wilden aandringen was dat deze twee transporten in een gemeenschappelijk kader moesten worden geanalyseerd, gebruikmakend van de energiebarrière en de uitdrukking van de algemene osmotische druk."

Met behulp van dit gemeenschappelijke kader, ze konden dan de drijvende mechanismen achter het transmembraantransport volledig beschrijven met slechts een paar wiskundige 'ingrediënten'. Een dergelijke uniforme benadering leent zich voor bredere generaliseerbaarheid.

"We hebben rigoureus analytische uitdrukkingen afgeleid die deze twee belangrijke osmotische transportfenomenen beschrijven, " zei Yoshida. "De belangrijkste punten die ons naar deze analytische uitdrukkingen hebben geleid, zijn:(i) energiebarrièremodellen, waarmee we de interactie tussen opgeloste deeltjes en de membranen kunnen beschrijven, met de minimale ingrediënten; (ii) het gebruik van een uniforme algemene thermodynamische uitdrukking voor de osmotische druk, bij het beschrijven van de drijvende kracht achter deze transporten."

Hun theoretische nauwkeurigheid breidde zich vervolgens uit tot simulaties op moleculair niveau om de theorie te verifiëren die ze eerst rapporteren, ondersteund door observaties van echte oplossingsdynamiek.

"Ten tweede hebben we numerieke simulaties uitgevoerd om onze theoretische resultaten te verifiëren, Yoshida zei. „Wij stelden een nieuwe niet-evenwichtsmoleculaire dynamische (NEMD) methodologie voor om de moleculaire dynamicasimulatie voor de diffusio-osmotische stroom te realiseren. We hebben de methode zowel numeriek als theoretisch gevalideerd, en toegepast op realistische systemen met water-ethanol mengsel in contact met een grafeen en een silica oppervlak."

Volgens Yoshida, dit leidde tot de eerste directe waarneming van het diffusio-osmotische stroomsnelheidsveld. Ze bevestigden dat de analytische uitdrukking op basis van hun aannames de transporteigenschap van de diffusio-osmotische stroom voorspelde.

Hoewel er al zoveel werk is voltooid, hun bevindingen hebben alleen maar meer werk opgeleverd - vaak het ideale resultaat van wetenschappelijk onderzoek. De brede implicaties van het werk schalen de potentiële voordelen ervan naar meer complexe osmotische verschijnselen en onaangeboorde toepassingen.

"De huidige theoretische resultaten zullen de fundamentele benadering naar voren brengen voor het begrijpen van verschillende experimentele resultaten, om de effecten van osmose en diffusio-osmose in vloeistoftransport door nanoporeuze membranen te schatten, " zei Yoshida. "Bovendien, de voorgestelde NEMD-methode is een zeer krachtig hulpmiddel om verschillende fenomenen te onderzoeken die worden veroorzaakt door de concentratie- of chemische potentiaalgradiënt. Vooral, diffusioforetisch transport waarbij complexe moleculen betrokken zijn, zoals polymeren en polyelektrolyten (DNA), zal hierna worden onderzocht."

Persoonlijk, Yoshida hoopt dat het werk een positief effect heeft op het oogsten van energie, een industrie die een enorm groeipotentieel heeft met innovatieve membranen.

"Er is een snel groeiende interesse in toepassingen waarbij concentratieverschillen of gradiënten worden gebruikt om energie te onttrekken, " zei hij. "Een voorbeeld dat het potentieel van het concentratieverschil laat zien, is het feit dat wanneer zoet rivierwater zich vermengt met zeewater, er komt een energie vrij die gelijk is aan een 270 m hoge waterval. Het gebruik van membranen met nieuwe materialen voor energieopwekking is een zeer actief onderzoeksthema."