Vattenbrist är ett stort problem över hela världen. "Det påverkar alla kontinenter, " säger Amir Barati Farimani, en biträdande professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon University. "Fyra miljarder människor lever under förhållanden med allvarlig vattenbrist minst en månad om året. En halv miljard människor lever under allvarlig vattenbrist hela året."

Men även när människor kämpar utan tillgång till rent dricksvatten, det finns oceaner av odrickbart vatten precis utanför deras dörrar. "71% av världens yta är täckt av havsvatten, " säger Barati Farimani. "Så det här är en mycket intressant motsägelse."

För att bekämpa detta problem, Barati Farimani har fokuserat sin forskning på vattenavsaltning. Detta är den process där salt havsvatten kan omvandlas till sötvatten.

Det finns många sätt att avsalta vatten, men en av de mest effektiva är membranavsaltning. I denna metod, vatten trycks genom ett tunt membran med små hål. Vattnet rinner genom porerna, men saltjonerna kan inte, lämnar bara färskt vatten på andra sidan.

I sin senaste forskning, Barati Farimani utforskar potentialen hos en ny typ av membran, kallas ett metall-organiskt ramverk (MOF). "Dessa membran består av både metallcentrum och organisk förening, " säger Barati Farimani. Den organiska föreningen och metallen ansluter i ett femkantigt mönster, lämnar ett hål i mitten som fungerar som en por. "Om du tittar på dem, de är som en honungskaka, ", tillägger Barati Farimani.

Det finns ett par anledningar till att ramverket är mer effektivt. Först, det är otroligt tunt. Det är några atomer tjockt, vilket betyder att det är väldigt lite friktion när vattenmolekylerna passerar genom porerna.

Dessutom, placeringen av porerna hjälper till med genomträngning. "När du inte har intilliggande porer, det är ett enormt tryck från väggen på molekylerna, " säger Barati Farimani. Detta gör avsaltningsprocessen mindre effektiv. För att förstå varför, tänk dig bara att hälla vatten i en tratt. Vattnet rör sig långsammare genom hålet i slutet eftersom det trycks mot väggarna och tvingas genom ett litet utrymme.

MOF, å andra sidan, har flera intilliggande porer. "Det finns inget tryck från väggen, " säger Barati Farimani. "Och det ger dem den här möjligheten att lättare passera genom poren." Föreställ dig att hälla vatten genom en sil den här gången - det går mycket snabbare, eftersom den har flera utgångspunkter kan den fly genom.

Till sist, MOF har mer strukturell integritet än andra material. I de flesta material, forskare måste borra små hål för att skapa de nödvändiga porerna, vilket begränsar mängden som kan skapas per yta. "Om du vill göra många porer, grafen eller MoS ₂ kan inte göra det, " säger Barati Farimani. "Strukturellt sett kan de inte hålla trycket."

Men tack vare sin bikakestruktur, MOF är i sig porös. Detta möjliggör ett högre förhållande mellan porer och yta. Det sparar också tid och energi, eftersom porerna inte behöver borras, eller till och med justerad i storlek.

Skillnaderna mellan MOF och andra typiska membran är anmärkningsvärda, både när det gäller hur snabbt vatten passerar och hur många joner som stöts bort. Och det är bara att titta på en simulering av några porer. En avsaltningsanläggning kan ha miljarder porer, höjer dess effektivitet exponentiellt. "I omfattningen av en stor operation, det skulle vara stort, " säger Barati Farimani. "Även en liten ökning av effektiviteten skulle innebära ett stort steg."

Barati Farimanis artikel om hans forskning publicerades i Nanobokstäver , en månatlig peer-reviewed vetenskaplig tidskrift publicerad av American Chemical Society. Det bidrar till ett växande samtal om vattenavsaltning och representerar ett viktigt steg framåt på området.

Förutom akademikernas värld, Barati Farimani hoppas att hans forskning kan få genomslag i människors liv. "Vi måste ge färskvatten till många underprivilegierade människor, som i Afrika eller andra platser, " säger han. "Det är i grund och botten vårt uppdrag - att göra det så energieffektivt att vi har vattenavsaltning överallt."