Nästan 800 miljoner människor världen över har inte tillgång till rent dricksvatten, och omkring 2,5 miljarder människor lever under otrygga ohälsosamma förhållanden, enligt Centers for Disease Control and Prevention. Tillsammans, osäkert dricksvatten och otillräcklig tillgång på vatten för hygienändamål bidrar till nästan 90 % av alla dödsfall till följd av diarrésjukdomar – och effektiva vattensaneringsåtgärder utmanar fortfarande forskare och ingenjörer.
En ny studie publicerad i Naturens nanoteknik föreslår en ny nanoteknikbaserad strategi för att förbättra vattenfiltreringen. Forskningsprojektet involverar små vibrationer av kolnanorör som kallas "fononer, " som kraftigt förbättrar spridningen av vatten genom sanitetsfilter. Projektet var en gemensam ansträngning av en forskargrupp från Tsinghua University-Tel Aviv University och leddes av Prof. Quanshui Zheng från Tsinghua Center for Nano and Micro Mechanics och Prof. Michael Urbakh från TAU School of Chemistry, båda av TAU-Tsinghua XIN Center, i samarbete med prof. Francois Gray vid universitetet i Genève.
Skaka, skallra, och rulla
"Vi har upptäckt att mycket små vibrationer hjälper material, vare sig det är vått eller torrt, glider smidigare förbi varandra, ", sade prof. Urbakh. "Genom fononoscillationer – vibrationer av vattenförande nanorör – kan vattentransporten förbättras, och sanitet och avsaltning förbättrades. Vattenfiltreringssystem kräver mycket energi på grund av friktion på nanonivå. Med dessa svängningar, dock, vi bevittnade tre gånger effektiviteten hos vattentransporter, och, självklart, mycket energi sparas."
Forskargruppen lyckades visa hur, under rätt förutsättningar, sådana vibrationer ger en 300 % förbättring av vattendiffusionshastigheten genom att använda datorer för att simulera flödet av vattenmolekyler som strömmar genom nanorör. Resultaten har viktiga konsekvenser för avsaltningsprocesser och energibesparing, t.ex. förbättra energieffektiviteten för avsaltning med omvänd osmosmembran med porer på nanoskalanivå, eller energibesparing, t.ex. membran med bornitrid nanorör.
Crowdsourcing lösningen
Projektet, initierat av IBM:s World Community Grid, var ett experiment i crowdsourced datoranvändning – utfört av över 150, 000 volontärer som bidragit med sin egen datorkraft till forskningen.
"Vårt projekt vann privilegiet att använda IBMs världsgemenskapsnät, en öppen plattform med användare från hela världen, att köra vårt program och få exakta resultat, ", sa Prof. Urbakh. "Detta var det första projektet av detta slag i Israel, och vi hade aldrig klarat oss med bara fyra elever i labbet. Vi skulle ha krävt motsvarande nästan 40, 000 år av processorkraft på en enda dator. Istället hade vi förmånen av cirka 150, 000 datorvolontärer från hela världen, som laddade ner och körde projektet på sina bärbara och stationära datorer.
"Crowdsourced computing spelar en allt större roll i vetenskapliga genombrott, " Prof. Urbakh fortsatte. "Som vår forskning visar, utbudet av frågor som kan dra nytta av allmänhetens deltagande växer hela tiden."
Datorsimuleringarna designades av Ming Ma, som tog examen från Tsinghua University och gör sin postdoktorala forskning i Prof. Urbakhs grupp vid TAU. Ming katalyserade det internationella samarbetet. "Studenterna från Tsinghua är anmärkningsvärda. Projektet representerar det mycket positiva samarbetet mellan de två universiteten, som äger rum på XIN och på grund av XIN, sade prof. Urbakh.
Andra partners i detta internationella projekt inkluderar forskare vid London Centre for Nanotechnology vid University College London; universitetet i Genève; University of Sydney och Monash University i Australien; och Xi'an Jiaotong University i Kina. Forskarna för för närvarande diskussioner med företag som är intresserade av att utnyttja oscillationskunnandet för olika kommersiella projekt.
