Voor veel ingenieurs en wetenschappers, de natuur is 's werelds grootste muze. Ze proberen natuurlijke processen beter te begrijpen die zich in de loop van miljoenen jaren hebben ontwikkeld, ze nabootsen op manieren die de samenleving ten goede kunnen komen en soms zelfs verbeteren.

Een internationaal, interdisciplinair team van onderzoekers, waaronder ingenieurs van de Universiteit van Austin, heeft een manier gevonden om een ​​natuurlijk proces na te bootsen dat water tussen cellen verplaatst, met als doel de manier te verbeteren waarop we zout en andere elementen en moleculen uitfilteren om schoon water te creëren terwijl we minder energie verbruiken.

In een nieuw artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, onderzoekers creëerden een watertransportkanaal ter grootte van een molecuul dat water tussen cellen kan vervoeren, terwijl protonen en ongewenste moleculen worden uitgesloten. Deze kanalen bootsen de watertransportfuncties na van eiwitten in ons lichaam die bekend staan ​​als aquaporines. In onze cellen, ongecontroleerd transport van protonen langs water kan schadelijk zijn omdat ze de pH van cellen kunnen veranderen, mogelijk verstoren of doden.

Dit is het eerste exemplaar van een kunstmatig kanaal ter grootte van een nanometer dat de belangrijkste watertransportkenmerken van deze biologische waterkanalen echt kan nabootsen. En het zou het vermogen van membranen kunnen verbeteren om ongewenste moleculen en elementen efficiënt uit te filteren, terwijl het vervoer over water wordt versneld, waardoor het goedkoper wordt om een ​​schone voorziening te creëren.

"Het kopieert de natuur, maar het doet dit door de regels te overtreden die de natuur heeft vastgesteld, " zei Manish Kumar, een assistent-professor aan de Cockrell School of Engineering's Department of Civil, Bouwkundige en milieutechniek. "Deze kanalen vergemakkelijken een snel transport van moleculen die je wilt, als water, en blokkeer degenen die je niet wilt, als zout."

De kunstmatige waterkanalen van het onderzoeksteam kunnen dezelfde functies vervullen als aquaporines, die op een groter niveau cruciaal zijn voor ontzilting, waterzuivering en andere processen voor het scheiden van moleculen. En dat terwijl ze water 2,5 keer sneller transporteren in vergelijking met aquaporines.

De kunstmatige kanalen zijn drie nanometer breed en drie nanometer lang. Indien dicht verpakt in het juiste formaat membraan, de kanalen kunnen ongeveer 80 kilogram water per seconde per vierkante meter membraan doorlaten, terwijl zouten en protonen worden afgestoten met snelheden die veel hoger zijn dan waartoe de huidige commerciële ontziltingsmembranen in staat zijn.

"Deze kunstmatige kanalen lossen in wezen de kritieke technische uitdagingen op om alleen watermoleculen door te laten en andere opgeloste stoffen zoals zout en protonen uit te sluiten, "Zei professor Huaqiang Zeng van het Department of Chemistry aan de Hainan University en het Institute of Advanced Synthesis aan de Northwestern Polytechnical University in China. "Hun buitengewone watertransportsnelheid en het feit dat deze kanalen een eenvoudigere membraanfabricage mogelijk maken, suggereren dat ze een cruciaal onderdeel zullen worden van membranen van de volgende generatie voor het produceren van schoon water om de ernstige schaarste waarmee mensen in deze eeuw worden geconfronteerd, aan te pakken."

Op aquaporine gebaseerde kanalen zijn zo klein dat ze slechts één molecuul water tegelijk doorlaten, als een eenbaansweg. Een uniek structureel kenmerk van deze nieuwe kanalen is een reeks plooien in de kanalen die extra "lanen, " bij wijze van spreken, waardoor watermoleculen sneller kunnen worden getransporteerd.

"Je gaat van een landweg naar een snelweg in termen van snelheid van vervoer over water, terwijl je toch andere dingen buiten houdt door kleine hobbels in de weg te leggen, " zei Aleksei Aksimentiev, een professor in biologische fysica aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die meewerkte aan het onderzoek.

Kumar volgde een les van Aksimentiev over de fysica van nanomachines terwijl hij studeerde voor zijn Ph.D. in milieutechniek aan de Universiteit van Illinois. De cursus, hij zei, was ongeveer net zo uitdagend als het komt, en hij verwijst jaren later nog steeds naar zijn aantekeningen uit de klas.

Ze werkten samen aan een paper toen Kumar student was. En toen hij professor werd, Aksimentiev hielp hem met simulatiewerk op een ander papier. Al jaren, ze hebben meegewerkt aan de studie van transportkanalen over water.

Het interdisciplinaire team bestaat uit docenten en onderzoekers van over de hele wereld op het gebied van natuurkunde, chemische technologie, farmacologie en meer. Onderzoekers komen van UT Austin, Universiteit van Illinois, Harvard Medical School, Hainan University en Northwestern Polytechnical University in China en NanoBio Lab in Singapore.

Zeng is de corresponderende auteur op het papier. Kumar leidde het testgedeelte van het project en Aksimentiev leidde het simulatiewerk.

Eerder dit jaar, Kumar werkte samen met onderzoekers van Penn State University aan een ontdekking die nieuw licht wierp op hoe traditionele waterontziltingsmembranen werken. Ze ontdekten dat uniformiteit door het membraan het transport van water versnelt en het proces van het uitfilteren van zout verbetert.

Dit nieuwe werk, Kumar zegt, tilt dat concept naar een ander niveau. Deze kanalen kunnen maar één maat hebben om door de gewenste watermoleculen te passen, terwijl andere ongewenste moleculen eruit worden geperst.

Vooruit gaan, het team is van plan om deze kunstmatige waterkanalen te gebruiken om de volgende generatie omgekeerde-osmosemembranen te fabriceren om zeewater om te zetten in drinkbaar water.