Membran med mikroskopiska porer är användbara för vattenfiltrering. Effekten av porstorlek på vattenfiltrering är välkänd, liksom jonernas roll, laddade atomer som interagerar med membranet. För första gången, Forskare har framgångsrikt beskrivit vilken inverkan vattenmolekyler har på andra vattenmolekyler och på joner som en del av filtreringsmekanismen. Forskarna beskriver ett återkopplingssystem mellan vattenmolekyler som öppnar för nya designmöjligheter för mycket selektiva membran. Program kan innehålla virusfilter.

Syntetisk kemi är ett studieområde relaterat till skapandet och utforskningen av nya ämnen och material som inte finns i naturen. Ibland krävs en specifik egenskap eller beteende hos ett material för en applikation som läkemedel eller högteknologisk tillverkning. Syntetisk kemi kan hjälpa till att hitta, skapa eller förädla lämpliga material. Till exempel, så kallade syntetiska flytande kristallmembran skulle kunna användas för vattenfiltrering.

Vid filtrering av vatten eller andra vätskor, syftet är att separera kemiska komponenter, såsom joner, från din målvätska. Användning av ett poröst membran kan vara den primära metoden för att göra detta. Det är intuitivt uppenbart att hål i en yta kommer att hindra allt större än hålet från att passera igenom. Men avancerade membran som syntetiska flytande kristallmembran kan ha porer som är knappt några nanometer, miljarddels meter, tvärs över. På dessa skalor, det finns mer med membranfunktionalitet än bara storleken på en por.

"Kemi spelar en stor roll i vad som händer i dessa små skalor, " sa professor Takashi Kato från avdelningen för kemi och bioteknik vid University of Tokyo. "När det gäller vattenfiltrering, porerna är dimensionerade så att inget större än vatten kan passera igenom. Dock, det finns också elektrostatiska krafter mellan joner och porer. Om materialet är korrekt konstruerat, dessa krafter fungerar som en ytterligare barriär för joner även om de är mindre än porerna. Detta är ganska välförstått. Men det finns ytterligare ett viktigt ämne som kan påverka vattenfiltreringen, och det är faktiskt själva vattenmolekylen."

Professor Yoshihisa Harada från UTokyo's Institute for Solid State Physics och hans team hade gett sig ut för att fullständigt beskriva vad som länge har misstänkts men som aldrig har förklarats tidigare:hur vattenmolekyler på platsen för en por interagerar med omgivande vattenmolekyler och joner. Detta är faktiskt mycket betydelsefullt i denna minutskala, där även subtila krafter kan påverka filtreringsmembranets totala prestanda. Det är också extremt svårt att extrahera den här typen av information från de fysiska systemen.

"I teorin skulle vi kunna använda datorsimuleringar för att noggrant modellera hur vatten beter sig och interagerar under filtrering, men sådana simuleringar skulle kräva enorma mängder superdatorkraft, " sa Harada. "Så åtminstone till en början, vi vände oss till en fysisk metod för att utforska dessa mekanismer, kallas synkrotronbaserad högupplöst mjuk röntgenemissionsspektroskopi. Detta var i sig en extremt komplex utmaning."

Denna process fungerar genom att ta röntgenstrålning från en synkrotron, en partikelaccelerator, och dirigera dem till provet som analyseras. Provexemplaret, i detta fall membranet och vattenmolekylerna, ändrar vissa egenskaper hos röntgenstrålen, innan den detekteras och registreras av en högupplöst sensor. De förändringar som ålagts röntgenstrålen berättar forskarna vad som hände i provet med en hög grad av noggrannhet.

"Det är inte lätt, " sade Harada. "På grund av tunna membran, signalerna vi förväntade oss från målvattenmolekylerna i porerna är svåra att skilja från bakgrundssignalerna på grund av huvuddelen av andra vattenmolekyler. Så vi var tvungna att subtrahera signalerna på bakgrundsnivå för att göra våra målsignaler mer synliga. Men nu är jag glad att vi kan presentera den första beskrivningen någonsin av vatten som agerar som en del av dess värdmaterial. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

"Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, till exempel, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, för.

"What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.