Indiana University forskare har skapat en kraftfull ny molekyl för extraktion av salt från vätska. Arbetet har potential att hjälpa till att öka mängden drickbart vatten på jorden.

Byggd med kemiska bindningar som tidigare ansågs vara för svaga, den nya molekylen är cirka tio miljarder gånger förbättrad jämfört med en liknande struktur som skapades för över 10 år sedan vid IU. Molekylernas design rapporterades 23 maj i tidningen Vetenskap .

"Om du skulle placera en miljonedel av ett gram av denna molekyl i ett ton vatten, 100 procent av dem kommer fortfarande att kunna fånga ett salt, "sa Yun Liu, som ledde studien som doktorand. student i laboratoriet av Amar Flood, James F. Jackson professor i kemi och Luther Dana Waterman professor vid IU Bloomington College of Arts and Sciences avdelning för kemi.

Molekylen är utformad för att fånga klorid, som bildas när elementet klor parar med ett annat element för att få en elektron. Det mest kända kloridsaltet är natriumklorid, eller vanligt bordsalt. Andra kloridsalter är kaliumklorid, kalciumklorid och ammoniumklorid.

Samtidigt som den mänskliga befolkningen fortsätter att växa, utsläppet av salt i sötvattensystem minskar tillgången till dricksvatten över hela världen. Bara i USA, U.S. Geological Survey uppskattar 271 ton upplösta fasta ämnen, inklusive salter, gå in i sötvattenströmmar per år. Bidragande faktorer inkluderar de kemiska processer som är involverade i oljeutvinning, användning av vägsalter och vattenmjukgörare, och den naturliga vittringen av sten. Det tar bara en tesked salt för att permanent förorena fem liter vatten.

Den nya salt-extraktionsmolekylen som skapats vid IU består av sex triazol "motiv"-femledade ringar bestående av kväve, kol och väte-som tillsammans bildar en tredimensionell "bur" perfekt formad för att fånga klorid. 2008, Floods lab skapade en tvådimensionell molekyl, formad som en platt munk, som använde fyra triazoler. De två extra triazolerna ger den nya molekylen dess tredimensionella form, och tio miljarder gånger ökad effekt.

Molekylen är också unik eftersom den binder klorid med kol-vätebindningar, tidigare betraktats som för svag för att skapa stabila interaktioner med klorid jämfört med den traditionella användningen av kväve-vätebindningar. Trots förväntningar, forskarna fann att användningen av triazoler skapade en bur så stel att den bildade ett vakuum i mitten, som drar in kloridjoner.

Däremot, burar med kväve-vätebindningar är ofta mer flexibla-och det vakuumliknande centrum som behövs för kloridavskiljning kräver energitillförsel, sänka deras effektivitet jämfört med en triazolbaserad bur.

"Om du skulle ta vår molekyl och stapla den mot andra burar som använder [starkare] bindningar, vi pratar om många storleksordningar för prestandaökning, "sa Flood." Denna studie visar verkligen att stelhet är underskattad i utformningen av molekylära burar. "

Styvheten gör det också möjligt för molekylen att behålla sin form efter att den centrala kloriden har gått förlorad, jämfört med andra mönster som kollapsar under samma omständigheter på grund av deras flexibilitet. Detta ger molekylen större effektivitet och mångsidighet.

Verket är också reproducerbart. Den första molekylen tog nästan ett år att syntetisera, sa Liu, som blev chockad över att upptäcka de kristaller som krävs för att bekräfta molekylens unika struktur som bildades efter att experimentet lämnats ensamt i labbet i flera månader - en överraskande händelse eftersom denna process vanligtvis kräver noggrann övervakning.

Kristallbildningen representerade ett "eureka" -moment, att bevisa molekylens unika design var faktiskt livskraftigt. Senare, Wei Zhao, en postdoktor i Floods lab, kunde återskapa molekylen på flera månader.