science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Project maakt gebruik van crowd computing om waterfiltratie te verbeteren

Bijna 800 miljoen mensen wereldwijd hebben geen toegang tot veilig drinkwater, en ongeveer 2,5 miljard mensen leven in precaire onhygiënische omstandigheden, volgens de Centers for Disease Control and Prevention. Samen, onveilig drinkwater en de ontoereikende toevoer van water voor hygiënische doeleinden dragen bij aan bijna 90% van alle sterfgevallen door diarreeziekten - en effectieve waterzuiveringsinterventies vormen nog steeds een uitdaging voor wetenschappers en ingenieurs.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie stelt een nieuwe op nanotechnologie gebaseerde strategie voor om de waterfiltratie te verbeteren. Het onderzoeksproject heeft betrekking op de minieme trillingen van koolstofnanobuizen genaamd "fonons, " die de diffusie van water door sanitaire filters aanzienlijk verbeteren. Het project was de gezamenlijke inspanning van een onderzoeksteam van de Tsinghua University-Tel Aviv University en werd geleid door prof. Quanshui Zheng van het Tsinghua Center for Nano and Micro Mechanics en prof. Michael Urbakh van de TAU School of Chemistry, beide van het TAU-Tsinghua XIN Center, in samenwerking met Prof. Francois Gray van de Universiteit van Genève.

Schudden, rammelaar, en rol

"We hebben ontdekt dat zeer kleine trillingen materialen helpen, nat of droog, soepeler langs elkaar glijden, " zei prof. Urbakh. "Door fononoscillaties - trillingen van watervoerende nanobuisjes - kan het watertransport worden verbeterd, en sanitaire voorzieningen en ontzilting verbeterd. Waterfiltratiesystemen vergen veel energie door wrijving op nanoniveau. Met deze trillingen, echter, we waren getuige van drie keer de efficiëntie van vervoer over water, en, natuurlijk, veel energie bespaard."

Het onderzoeksteam slaagde erin om aan te tonen hoe, onder de juiste voorwaarden, dergelijke trillingen zorgen voor een 300% verbetering van de waterdiffusiesnelheid door computers te gebruiken om de stroom van watermoleculen die door nanobuisjes stromen te simuleren. De resultaten hebben belangrijke implicaties voor ontziltingsprocessen en energiebesparing, bijv. verbetering van de energie-efficiëntie voor ontzilting met behulp van membranen voor omgekeerde osmose met poriën op nanoschaalniveau, of energiebesparing, bijv. membranen met boornitride nanobuisjes.

Crowdsourcing de oplossing

Het project, geïnitieerd door IBM's World Community Grid, was een experiment in crowdsourced computing, uitgevoerd door meer dan 150, 000 vrijwilligers die hun eigen rekenkracht hebben bijgedragen aan het onderzoek.

"Ons project heeft het voorrecht gekregen om IBM's world community grid te gebruiken, een open platform van gebruikers van over de hele wereld, om ons programma uit te voeren en nauwkeurige resultaten te verkrijgen, " zei Prof. Urbakh. "Dit was het eerste project van dit soort in Israël, en we hadden het nooit gered met slechts vier studenten in het lab. We zouden het equivalent van bijna 40 nodig hebben, 000 jaar verwerkingskracht op een enkele computer. In plaats daarvan hadden we het voordeel van zo'n 150, 000 computervrijwilligers van over de hele wereld, die het project op hun laptops en desktopcomputers hebben gedownload en uitgevoerd.

"Crowdsourced computing speelt een steeds grotere rol bij wetenschappelijke doorbraken, " Prof. Urbakh vervolgde. "Zoals ons onderzoek laat zien, het scala aan vragen dat baat kan hebben bij participatie van het publiek groeit voortdurend."

De computersimulaties zijn ontworpen door Ming Ma, die afstudeerde aan de Tsinghua University en zijn postdoctoraal onderzoek doet in de groep van Prof. Urbakh aan de TAU. Ming katalyseerde de internationale samenwerking. "De studenten van Tsinghua zijn opmerkelijk. Het project staat voor de zeer positieve samenwerking tussen de twee universiteiten, die plaatsvindt bij XIN en vanwege XIN, " zei prof. Urbakh.

Andere partners in dit internationale project zijn onder meer onderzoekers van het London Centre for Nanotechnology van University College London; de Universiteit van Genève; de Universiteit van Sydney en Monash University in Australië; en de Xi'an Jiaotong Universiteit in China. De onderzoekers zijn momenteel in gesprek met bedrijven die geïnteresseerd zijn in het benutten van de oscillatie-knowhow voor verschillende commerciële projecten.