Vatten är kanske jordens mest kritiska naturresurs. Med tanke på ökande efterfrågan och allt mer utträngda vattenresurser, forskare eftersträvar mer innovativa sätt att använda och återanvända befintligt vatten, samt att designa nya material för att förbättra vattenreningsmetoderna. Syntetiskt skapade semipermeabla polymermembran som används för avlägsnande av föroreningar lösta ämnen kan ge en nivå av avancerad behandling och förbättra energieffektiviteten för behandling av vatten; dock, befintliga kunskapsluckor begränsar transformativa framsteg inom membranteknologi. Ett grundläggande problem är att lära sig hur affiniteten, eller attraktionen, mellan lösta ämnen och membranytor påverkar många aspekter av vattenreningsprocessen.

"Fouling - där lösta ämnen fastnar på och sönderdelar membran - minskar prestandan avsevärt och är ett stort hinder för att designa membran för att behandla producerat vatten, " sa M. Scott Shell, en kemiteknikprofessor vid UC Santa Barbara, som genomför beräkningssimuleringar av mjuka material och biomaterial. "Om vi ​​i grunden kan förstå hur lösta ämnens klibbighet påverkas av den kemiska sammansättningen av membranytor, inklusive möjlig mönstring av funktionella grupper på dessa ytor, då kan vi börja designa nästa generation, nedsmutsningsbeständiga membran för att stöta bort ett brett utbud av lösta ämnen."

Nu, i en tidning publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Shell och huvudförfattaren Jacob Monroe, en färsk doktorsexamen. examen från institutionen och tidigare medlem i Shells forskargrupp, förklara relevansen av makroskopiska karakteriseringar av löst ämne-till-yta-affinitet.

"Slut-yta-interaktioner i vatten bestämmer beteendet hos ett stort antal fysiska fenomen och teknologier, men är särskilt viktiga vid vattenavskiljning och rening, där många olika typer av lösta ämnen ofta måste avlägsnas eller fångas upp, sa Monroe, nu postdoktor vid National Institute of Standards and Technology (NIST). "Detta arbete tar sig an den stora utmaningen att förstå hur man designar nästa generations membran som kan hantera enorma årliga volymer av mycket förorenade vattenkällor, som de som produceras i oljefältsoperationer, där koncentrationen av lösta ämnen är hög och deras kemi ganska olika."

Lösta ämnen karakteriseras ofta som att de sträcker sig från hydrofila, som kan ses som vattenliknande och lätt lös i vatten, till hydrofob, eller ogillar vatten och föredrar att separera från vatten, som olja. Ytor spänner över samma område; till exempel, vatten pärlar sig på hydrofoba ytor och sprider sig på hydrofila ytor. Hydrofila lösta ämnen gillar att fastna på hydrofila ytor, och hydrofoba lösta ämnen fastnar på hydrofoba ytor. Här, forskarna bekräftade förväntningarna att "liknande håller sig till gillar, "men upptäckte också, förvånande, att hela bilden är mer komplex.

"Bland det breda utbudet av kemi som vi övervägde, vi fann att hydrofila lösta ämnen också gillar hydrofoba ytor, och att hydrofoba lösta ämnen också gillar hydrofila ytor, även om dessa attraktioner är svagare än de som gillar, " förklarade Monroe, hänvisar till de åtta lösta ämnen som gruppen testade, allt från ammoniak och borsyra, till isopropanol och metan. Gruppen valde lösta ämnen med små molekyler som vanligtvis finns i producerat vatten för att ge ett grundläggande perspektiv på löst ämnes ytaaffinitet.

Beräkningsforskningsgruppen utvecklade en algoritm för att återmönstra ytor genom att omordna ytkemiska grupper för att minimera eller maximera affiniteten för ett givet löst ämne till ytan, eller alternativt, för att maximera ytaffiniteten för ett löst ämne i förhållande till det för ett annat. Tillvägagångssättet förlitade sig på en genetisk algoritm som "utvecklade" ytmönster på ett sätt som liknar naturligt urval, optimera dem mot ett visst funktionsmål.

Genom simuleringar, teamet upptäckte att ytaffinitet var dåligt korrelerad till konventionella metoder för lösta hydrofobicitet, till exempel hur lösligt ett löst ämne är i vatten. Istället, de fann ett starkare samband mellan ytaffinitet och hur vattenmolekyler nära en yta eller nära ett löst ämne ändrar sina strukturer som svar. I vissa fall, dessa närliggande vatten tvingades anta strukturer som var ogynnsamma; genom att flytta närmare hydrofoba ytor, lösta ämnen kan då minska antalet sådana ogynnsamma vattenmolekyler, ger en övergripande drivkraft för samhörighet.

"Den saknade ingrediensen var att förstå hur vattenmolekylerna nära en yta är uppbyggda och rör sig runt den, " sade Monroe. "I synnerhet, vattenstrukturella fluktuationer förstärks nära hydrofoba ytor, jämfört med bulkvatten, eller vattnet långt borta från ytan. Vi fann att fluktuationer drev klibbigheten hos alla små lösta ämnen som vi testade. "

Fyndet är betydelsefullt eftersom det visar att vid design av nya ytor, forskare bör fokusera på svaret från vattenmolekyler runt dem och undvika att bli vägledda av konventionella hydrofobicitetsmått.

Baserat på deras resultat, Monroe och Shell säger att ytor som består av olika typer av molekylär kemi kan vara nyckeln till att uppnå flera prestationsmål, såsom att förhindra att ett urval av lösta ämnen smutsar ner ett membran.

"Ytor med flera typer av kemiska grupper erbjuder stor potential. Vi visade att inte bara närvaron av olika ytgrupper, men deras arrangemang eller mönster, påverka löst ämne-yta affinitet, " sa Monroe. "Bara genom att ordna om det rumsliga mönstret, det blir möjligt att avsevärt öka eller minska ytaffiniteten för ett givet löst ämne, utan att ändra hur många ytgrupper som finns."

Enligt teamet, deras resultat visar att beräkningsmetoder kan bidra på betydande sätt till nästa generations membransystem för hållbar vattenrening.

"Detta arbete gav detaljerad insikt i interaktioner i molekylär skala som styr löst ämne-yta-affinitet, sa Shell, John E. Myers grundares ordförande i kemiteknik. "Dessutom, det visar att ytmönstring erbjuder en kraftfull designstrategi för tekniska membran som är resistenta mot nedsmutsning av en mängd olika föroreningar och som exakt kan kontrollera hur varje löst ämne separeras ut. Som ett resultat, det erbjuder molekylära designregler och mål för nästa generations membransystem som kan rena starkt förorenat vatten på ett energieffektivt sätt."

De flesta av de undersökta ytorna var modellsystem, förenklas för att underlätta analys och förståelse. Forskarna säger att det naturliga nästa steget blir att undersöka allt mer komplexa och realistiska ytor som närmare efterliknar faktiska membran som används vid vattenrening. Ett annat viktigt steg för att föra modelleringen närmare membrandesign kommer att vara att gå bortom att bara förstå hur klibbigt ett membran är för ett löst ämne och mot att beräkna hastigheten med vilken lösta ämnen rör sig genom membran.