Dessa hopfällbara kanaler hjälper till att transportera vatten samtidigt som de blockerar oönskade molekyler som salt. Kredit:University of Texas vid Austin/Cockrell School of Engineering.
För många ingenjörer och vetenskapsmän, naturen är världens största musa. De försöker bättre förstå naturliga processer som har utvecklats under miljontals år, efterlikna dem på sätt som kan gynna samhället och ibland till och med förbättra dem.
En internationell, tvärvetenskapligt team av forskare som inkluderar ingenjörer från University of Austin har hittat ett sätt att replikera en naturlig process som förflyttar vatten mellan celler, med ett mål att förbättra hur vi filtrerar bort salt och andra element och molekyler för att skapa rent vatten samtidigt som vi förbrukar mindre energi.
I en ny tidning som publicerades idag i Naturen nanoteknik, forskare skapade en vattentransportkanal i molekylstorlek som kan transportera vatten mellan celler samtidigt som de utesluter protoner och oönskade molekyler. Dessa kanaler efterliknar vattentransportfunktionerna hos proteiner i våra kroppar som kallas aquaporiner. I våra celler, okontrollerad transport av protoner längs vatten kan vara skadligt eftersom de kan ändra pH i celler, potentiellt störa eller döda dem.
Detta är den första instansen av en konstgjord nanometerstor kanal som verkligen kan efterlikna de viktigaste vattentransportfunktionerna i dessa biologiska vattenkanaler. Och det kan förbättra membranens förmåga att effektivt filtrera bort oönskade molekyler och element, samtidigt som man påskyndar vattentransporten, gör det billigare att skapa ett rent utbud.
"Det kopierar naturen, men det gör det genom att bryta mot de regler som naturen har fastställt, " sa Manish Kumar, en biträdande professor vid Cockrell School of Engineering's Department of Civil, Arkitekt- och miljöteknik. "Dessa kanaler underlättar snabb transport av molekyler du vill ha, som vatten, och blockera de du inte vill ha, som salt."
Forskargruppens konstgjorda vattenkanaler kan utföra samma funktioner som akvaporiner, som är avgörande på en högre nivå för avsaltning, vattenrening och andra processer för att separera molekyler. Och de gör det samtidigt som de transporterar vatten 2,5 gånger snabbare jämfört med aquaporiner.
De konstgjorda kanalerna är tre nanometer i bredd och tre nanometer i längd. Om det packas tätt i membranet av rätt storlek, kanalerna kan passera ungefär 80 kilo vatten per sekund per kvadratmeter membran, samtidigt som de avvisar salter och protoner i hastigheter som är mycket högre än vad nuvarande kommersiella avsaltningsmembran klarar av.
"Dessa konstgjorda kanaler löser i huvudsak de kritiska tekniska utmaningarna med att bara tillåta vattenmolekyler att passera samtidigt som de utesluter andra lösta ämnen som salt och protoner, " sa professor Huaqiang Zeng vid Institutionen för kemi vid Hainan University och Institute of Advanced Synthesis vid Northwestern Polytechnical University i Kina. "Deras extraordinära vattentransporthastighet och det faktum att dessa kanaler möjliggör enklare membrantillverkning tyder på att de kommer att bli en avgörande komponent i nästa generations membran för att producera rent vatten för att ta itu med den svåra brist som människor står inför under detta århundrade."
Dessa hopfällbara kanaler hjälper till att transportera vatten samtidigt som de blockerar oönskade molekyler som salt. Kredit:University of Texas vid Austin/Cockrell School of Engineering
Akvaporinbaserade kanaler är så små att de bara släpper igenom en enda molekyl vatten åt gången, som en enfilig väg. En unik strukturell funktion i dessa nya kanaler är en serie veck i kanalerna som skapar ytterligare "banor, " så att säga, vilket gör att vattenmolekyler kan transporteras snabbare.
"Du går från en landsväg till en motorväg när det gäller vattentransporthastighet, samtidigt som du håller borta andra saker genom att sätta små gupp på vägen, sa Aleksei Aksimentiev, en professor i biologisk fysik vid University of Illinois i Urbana-Champaign som samarbetade i forskningen.
Kumar tog en klass som Aksimentiev undervisade om nanomaskiners fysik när han studerade för sin doktorsexamen. i miljöteknik vid University of Illinois. Kursen, han sa, var ungefär lika utmanande som det kommer, och han hänvisar fortfarande till sina anteckningar från klassen år senare.
De arbetade tillsammans på ett papper när Kumar var student. Och sedan när han blev professor, Aksimentiev hjälpte honom med simuleringsarbete på ett annat papper. Sedan flera år tillbaka, de har samarbetat kring studier av vattentransportkanaler.
Det tvärvetenskapliga teamet har lärare och forskare från hela världen inom fysik, kemiteknik, farmakologi med mera. Forskare kommer från UT Austin, University of Illinois, Harvard Medical School, Hainan University och Northwestern Polytechnical University i Kina och NanoBio Lab i Singapore.
Zeng är motsvarande författare på tidningen. Kumar ledde testdelen av projektet och Aksimentiev ledde simuleringsarbetet.
Tidigare i år, Kumar samarbetade med forskare från Penn State University om en upptäckt som kastade nytt ljus över hur traditionella vattenavsaltningsmembran fungerar. De fann att enhetlighet i hela membranet påskyndar transporten av vatten och förbättrar processen att filtrera bort salt.
Detta nya verk, Kumar säger, tar det konceptet till en annan nivå. Dessa kanaler kan bara vara en storlek för att passa de önskade vattenmolekylerna samtidigt som de pressar ut andra oönskade molekyler.
Går framåt, teamet planerar att använda dessa konstgjorda vattenkanaler för att tillverka nästa generations omvänd osmosmembran för att omvandla havsvatten till drickbart vatten.
