Tillgång till rent dricksvatten anses vara en av 2000-talets största utmaningar, och forskare har just öppnat en väg till nya filtreringsprocesser. Inspirerad av cellulära proteiner, de har utvecklat membran med asymmetriska konstgjorda kanaler i det inre, varifrån de kunde observera "kiralt" vatten1. Kiralitet är en egenskap som gynnar flödet av material som är oumbärliga för filtrering. Detta jobb, utförd av CNRS-forskare från Institut Européen des Membranes (CNRS/ENSCM/Université de Montpellier) och Laboratoire CNRS de Biochimie Théorique, i samarbete med amerikanska forskare, publicerades i Vetenskapens framsteg den 23 mars, 2018.

Från en önskan att utveckla banbrytande teknologier för vattenfiltrering och rening, forskare har utvecklat membran med konstgjorda kanaler inspirerade av proteinerna som bildar porerna i biologiska membran:aquaporiner. Med hjälp av en innovativ spektroskopisk teknik, de har kunnat observera att, i det mycket begränsade utrymmet i dessa kanaler, vattenmolekyler organiserar sig på ett mycket regelbundet sätt, i en orienterad molekylär trådstruktur:vattnet har blivit "kiralt".

Identifiera det kirala vattnet i de konstgjorda kanalerna i dessa lipidmembran, under fysiologiska förhållanden som liknar naturliga porer, var en tour de force. Detta mycket regelbundna arrangemang av molekyler hade redan observerats i fasta strukturer av naturliga eller konstgjorda föreningar, men är svår att observera i lösning, där vattenmolekylerna är mycket rörliga.

Detta "tråd"-arrangemang av vattenmolekyler förklaras av polariteten hos vattenmolekylen konjugerad med kanalernas asymmetri. Vatten, via vätebindningar, interagerar med väggarna i de konstgjorda kanalerna. I de resulterande överbyggnaderna, molekylerna som bildar kanalerna överför sin kirala karaktär till vattentrådarna, och ge vattenmolekylerna en föredragen riktning. Detta ledde till forskarnas hypotes:denna kollektiva orientering av vattenmolekyler spelar förmodligen en viktig roll i aktiveringen eller valet av transport genom membranet.

Och verkligen, laboratorieförsök, stöds av molekylära dynamikberäkningar, bekräftade att dessa kirala arrangemang uppvisar större överföringsegenskaper än deras icke-kirala motsvarigheter, där vatten uppvisar slumpmässigt molekylärt arrangemang. Med andra ord, vattnets chiralitet orsakar större rörlighet i nanokanaler, öka materialtransporterna, med minskad yttre energitillförsel.

Denna upptäckt öppnar ett stort användningsområde för vattenfiltrering och rening. För närvarande, forskarna utvecklar omvänd osmosmembran, används vanligtvis för att avsalta havsvatten. De har redan fått lovande resultat när det gäller förbättrad membranpermeabilitet och selektivitet, som båda är oumbärliga kriterier för filtrering.