Kredit:CC0 Public Domain
Ett team ledd av forskare från Imperial College London undersökte hur vattenmolekyler rör sig i ett begränsat utrymme - i det här fallet genom ett polyamidmembran (PA) som används för att ta bort salt från havsvatten för att producera färskvatten.
Studien kan ha en betydande inverkan på processerna för vattenrening och avsaltning, som är viktiga för dricksvatten och vatten som används för industriella processer, inklusive i jordbruk och energisystem.
Man hade tidigare trott att vatten beter sig inuti membran på ett liknande sätt som det beter sig när det inte är instängt, som när vatten förvaras i ett glas, men detta verkade osannolikt för professor Joao Cabral, huvudförfattare till studien, från Imperials avdelning för kemiteknik.
Professor Cabral säger "det lät bara orimligt för mig - att en molekyl begränsad till utrymmen som bara är något större än storleken på själva molekylerna skulle röra sig som om den var obehindrad."
Forskargruppen använde en experimentell teknik som kallas kvasi-elastisk och oelastisk neutronspridning i en kärnreaktor för att mäta geometrin hos vattnets molekylära rörelser och räkna ut flera diffusionskoefficienter – hur snabbt vattnet diffunderade genom membranmaterialet.
Detta gjorde det möjligt för dem att förstå vad som hände på molekylär nivå, med forskare som mätte interaktionerna mellan neutroner och ett prov för att tolka egenskaperna hos vattenmolekylerna.
Professor Cabral noterade att dessa typer av komplexa experiment endast kan uppnås genom internationellt samarbete, i detta fall genom arbete med experter från Institut Laue–Langevin i Grenoble, Frankrike.
Designa nästa generations membran
Betydelsen av studien är att den kommer att tillåta ingenjörer som designar nästa generations membran för avsaltning och vattenrening att förankra sitt arbete med exakta mätningar.
Professor Cabral sa att "människor försöker designa nya material och sättet att göra det kan vara genom försök och misstag, så ingenjörer kommer att försöka kombinera olika material tills de får överlägsna egenskaper."
"Den empiriska vägen har i stort sett haft sin gång, eftersom de nuvarande membranen för storskalig industriell avsaltning fortfarande i stort sett är baserade på de som utvecklades på 1970-talet."
"Fältet har nått en punkt där något nytt måste hända."
Ett sätt att designa nya material är att använda datorsimuleringar, men dessa simulatorer har tidigare inte haft tillgång till rigorösa experimentella mätningar för att förankra sitt arbete.
Den kejserliga forskaren tillade att deras "studie nu tillåter alla som vill drömma om nya material att förankra och validera sitt arbete med dessa mycket exakta värden för hur snabbt vatten kan röra sig över membranet och med vilka mekanismer vatten kan röra sig över denna plast ark."
Studien, som även inkluderade forskare från University College London och Queen Mary University of London, genomfördes med hjälp av ett polyamid (PA) membran, så nästa steg för forskningen skulle vara att undersöka beteendet hos vattenmolekyler i andra membran.
Professor Cabral sa att forskargruppen också skulle vilja titta på hur vattenmolekylerna beter sig i andra scenarier, till exempel när de sätts under olika tryck eller när olika typer av salter tas bort från vattnet.
Forskningen publiceras i Nature Communications . + Utforska vidare
