Osmos, vätskefenomenet som är ansvarigt för otaliga snildödsfall i händerna på busiga barn, är fundamentalt viktigt inte bara för mycket av biologin, men också till verkstad och industri. Enkelt uttryckt, osmos hänvisar till flödet av vätska över ett membran som drivs av en (löst) koncentrationsskillnad - som vatten från en saltad snigels celler eller absorberas av växternas rötter.

Den nuvarande teorin som beskriver det osmosdrivna beteendet gör de mest exakta förutsägelserna för låga koncentrationer, begränsa dess tillämpbarhet till många verkliga användningsområden. När intresset för forskning och utveckling av osmotiskt beroende processer växer, och breddar, det gör också behovet av en mer detaljerad teoretisk förståelse av de deterministiska mekanismerna.

Ny forskning ger nu denna grundliga förståelse, visas som ett par publikationer denna vecka i Journal of Chemical Physics , från AIP Publishing. Den första uppsatsen dekonstruerar osmosens molekylära mekanik med höga koncentrationer, och generaliserar resultaten för att förutsäga beteende för godtyckliga koncentrationer. Den andra delen av studien simulerar sedan via molekylär modellering två nyckelformer av osmotiskt flöde på ett brett användbart sätt.

"Osmotisk transport som drivs av salthaltsskillnad sker över många biologiska system, och det används också i olika industriella tillämpningar, " sa Hiroaki Yoshida från ENS i Frankrike, medförfattare till de parade publikationerna. "Det senaste intresset för dess tillämpningar på mikro- och nanofluidiska enheter, till exempel för avsaltning, energiskörd, och biomedicinsk teknik, bara för att nämna några, ökar tillväxten av detta forskningsfält."

Gruppen beslutade att två publikationer skulle ge en mer grundlig och användbar översikt av deras upptäckt och dess implikationer.

"I detta sammanhang, det som inspirerade oss att starta detta arbete var det faktum att i så olika situationer, man möter begränsningen av befintliga teoretiska ramverk för att studera de osmotiska transporterna, " sa Yoshida. "Det var brådskande att utvidga teorierna som är tillämpliga på större situationer, och på samma gång, det var nödvändigt att utveckla en relevant beräkningsmetod för numeriska studier. Eftersom dessa mål var lika viktiga, vi bestämde oss för att leverera de två meddelandena som en serie papper."

Oavsett koncentration, det finns två olika geometriska komponenter till osmotiskt flöde som Yoshida och hans kollegor, Sophie Marbach och Lydéric Bocquet, undersökt:bar osmos och diffusio-osmos. Vanligtvis, de betraktas oberoende, men gruppen tog ett annat förhållningssätt och såg värde i att förstå hur de förhåller sig till varandra.

"Osmos och diffusio-osmotiskt flöde är geometriskt olika fenomen:osmos är en vätsketransport över ett membran, och diffusio-osmos är ett flöde parallellt med gränsytan mellan fast och vätska, " sa Yoshida. "Därför, dessa fenomen hanteras vanligtvis oberoende. Dock, drivkraften för dessa transporter är vanlig, det vill säga skillnaden i koncentration (eller kemisk potential), och därför tyckte vi att det är viktigt att undersöka dem tillsammans. Det vi ville insistera på var att dessa två transporter skulle analyseras i en gemensam ram, använder energibarriären och uttrycket av det allmänna osmotiska trycket."

Med hjälp av detta gemensamma ramverk, de kunde sedan fullständigt beskriva drivmekanismerna bakom transmembrantransporten med endast ett fåtal matematiska "ingredienser". Ett sådant enhetligt tillvägagångssätt lämpar sig för en bredare generaliserbarhet.

"Vi har rigoröst härledda analytiska uttryck som beskriver dessa två viktiga osmotiska transportfenomen, " sa Yoshida. "De viktigaste punkterna som ledde oss till dessa analytiska uttryck är, (i) energibarriärmodeller, som tillåter oss att beskriva interaktionen mellan lösta partiklar och membranen, med minsta möjliga ingredienser; (ii) användningen av ett enhetligt allmänt termodynamiskt uttryck för det osmotiska trycket, i att beskriva drivkraften för dessa transporter."

Deras teoretiska rigor utvidgades sedan till simuleringar på molekylär nivå för att verifiera teorin de rapporterar först, stöds av observationer av verklig lösningsdynamik.

"För det andra genomförde vi numeriska simuleringar för att verifiera våra teoretiska resultat, ", sade Yoshida. "Vi föreslog en ny metod för icke-jämviktsmolekylär dynamisk (NEMD) för att realisera simuleringen av molekyldynamik för det diffusio-osmotiska flödet. Vi validerade metoden både numeriskt och teoretiskt, och applicerade det på realistiska system med vatten-etanolblandning i kontakt med en grafen- och en kiseldioxidyta."

Enligt Yoshida, detta ledde till den första direkta observationen av det diffusio-osmotiska flödeshastighetsfältet. De bekräftade att det analytiska uttrycket baserat på deras antaganden förutspådde transportegenskapen för det diffusio-osmotiska flödet.

Även om så mycket arbete redan är klart, deras fynd har bara gett ännu mer arbete att göra – ofta det ideala resultatet av vetenskapliga undersökningar. Verkets breda implikationer skalar dess potentiella fördelar till mer komplexa osmotiska fenomen och outnyttjade tillämpningar.

"De nuvarande teoretiska resultaten kommer att föra fram den grundläggande strategin för att förstå olika experimentella resultat, att uppskatta effekterna av osmos och diffusio-osmos vid vätsketransport över nanoporösa membran, " sa Yoshida. "Dessutom, den föreslagna NEMD-metoden är ett mycket kraftfullt verktyg för att utforska olika fenomen som orsakas av koncentrationen eller kemisk potentialgradient. Särskilt, diffusioforetisk transport som involverar komplexa molekyler, såsom polymerer och polyelektrolyter (DNA), kommer att utforskas härnäst."

Personligen, Yoshida hoppas att arbetet har en positiv inverkan på energiskörd, en bransch som har enorm tillväxtpotential med innovativa membran.

"Det finns ett snabbt växande intresse för applikationer som använder koncentrationsskillnader eller gradienter för att utvinna kraft, ", sa han. "Ett exempel som visar potentialen för koncentrationsskillnaden är det faktum att när färskt flodvatten blandas med havsvatten, en energi lika med ett 270 m högt vattenfall frigörs. Användningen av membran med nya material för kraftgenerering är ett mycket aktivt forskningsämne."