Een multidisciplinaire groep ingenieurs en wetenschappers heeft een nieuwe methode voor waterfiltratie ontdekt die gevolgen kan hebben voor een verscheidenheid aan technologieën, zoals ontziltingsinstallaties, ademende en beschermende stoffen, en koolstofafvang in gasscheidingen. Het onderzoeksteam, geleid door Manish Kumar in de Cockrell School of Engineering aan de Universiteit van Texas in Austin, publiceerden hun bevindingen in het laatste nummer van Natuur Nanotechnologie .

De studie, die onderzoekers van UT Austin samenbracht, Penn State University, de Universiteit van Tennessee, Fudan University en de University of Illinois in Urbana-Champaign, werd aanvankelijk geïnspireerd door de manier waarop onze cellen water door het lichaam transporteren en begon als een poging om kunstmatige kanalen te ontwikkelen voor het transporteren van water door membranen. Het doel was om aquaporines na te bootsen, essentiële membraaneiwitten die als waterkanalen dienen en in bepaalde cellen worden aangetroffen. Aquaporines zijn snelle en efficiënte waterfiltratiesystemen. Ze vormen poriën in de membranen van cellen in verschillende delen van het lichaam:ogen, nieren en longen - waar water het meest gevraagd is.

Kumar en het team slaagden er niet in om het aquaporinesysteem precies zoals gepland te spiegelen. In plaats daarvan, ze ontdekten een nog effectiever waterfiltratieproces. In tegenstelling tot de individuele aquaporinecellen van het lichaam, die effectief onafhankelijk van elkaar functioneren, de membranen die de onderzoeksgroep van Kumar ontwikkelde, werkten alleen niet goed.

Maar, toen hij er een aantal combineerde om netwerken van "waterdraden, " ze waren zeer effectief bij watertransport en filtratie. Waterdraden zijn dicht verbonden ketens van watermoleculen die uitzonderlijk snel bewegen, zoals een trein en zijn individuele auto's.

"We probeerden het toch al gecompliceerde watertransportproces dat door aquaporines wordt gebruikt te kopiëren en stuitten op een geheel nieuwe, en nog beter, methode, " zei Kumar, een universitair hoofddocent bij de afdeling civiele zaken van de Cockrell School, Architecturale en Milieutechniek. "Het was volkomen toevallig. We hadden geen idee dat het zou gebeuren."

Deze netwerken van kunstmatige membranen kunnen nuttig zijn voor het scheiden van zout van water, een filtratieproces dat momenteel inefficiënt en kostbaar is. Het nieuwe membraan heeft indrukwekkende ontziltingseigenschappen getoond, vertonen veel selectiever zout en vermoedelijk andere verwijdering van verontreinigingen in vergelijking met bestaande processen.

"Onze methode is duizend keer efficiënter dan de huidige ontziltingsprocessen in termen van selectiviteit en permeabiliteit, " zei Kumar. "Voor elke 10, 000 zoutwatermoleculen die door de huidige ontziltingssystemen gaan, één zoutmolecuul wordt mogelijk niet uitgefilterd. Met onze nieuwe membraantechnologie, één zoutmolecuul voor elke 10 miljoen watermoleculen zou niet worden uitgefilterd, met behoud van een watertransportsnelheid die vergelijkbaar is met of beter is dan de huidige membranen."

Voor zijn hele carrière Kumar heeft zich gericht op het ontwikkelen van materialen en processen die de functionaliteit van biologische moleculaire modellen nemen en toepassen op technische schalen.

"Het is moeilijk om de complexiteit van hoe het menselijk lichaam werkt zelfs maar effectief na te bootsen, vooral op moleculair niveau, "zei hij. "Deze keer, echter, de natuur was het startpunt voor een nog grotere ontdekking dan we ooit hadden kunnen hopen."