Le membrane con pori microscopici sono utili per la filtrazione dell'acqua. L'effetto della dimensione dei pori sulla filtrazione dell'acqua è ben compreso, come è il ruolo degli ioni, atomi carichi che interagiscono con la membrana. Per la prima volta, i ricercatori hanno descritto con successo l'impatto che le molecole d'acqua hanno su altre molecole d'acqua e sugli ioni come parte del meccanismo di filtrazione. I ricercatori descrivono in dettaglio un sistema di feedback tra le molecole d'acqua che apre nuove possibilità di progettazione per membrane altamente selettive. Le applicazioni potrebbero includere filtri antivirus.

La chimica sintetica è un campo di studio relativo alla creazione e all'esplorazione di nuove sostanze e materiali che non esistono in natura. A volte è richiesta una proprietà o un comportamento specifico di un materiale per un'applicazione come la produzione farmaceutica o high-tech. La chimica sintetica può aiutare a trovare, creare o perfezionare materiali idonei. Per esempio, le cosiddette membrane sintetiche a cristalli liquidi potrebbero essere utilizzate per la filtrazione dell'acqua.

Quando si filtra acqua o altri liquidi, lo scopo è quello di separare i componenti chimici, come ioni, dal fluido target. L'uso di una membrana porosa può essere il metodo principale per farlo. È intuitivamente ovvio che i fori in una superficie impediranno il passaggio di qualsiasi cosa più grande del foro. Ma le membrane avanzate come le membrane sintetiche a cristalli liquidi possono avere pori di appena pochi nanometri, miliardesimi di metro, attraverso. A queste scale, c'è di più nella funzionalità della membrana oltre alla dimensione di un poro.

"La chimica gioca un ruolo importante in ciò che accade a queste piccole scale, " ha affermato il professor Takashi Kato del Dipartimento di Chimica e Biotecnologia dell'Università di Tokyo. "Nel caso della filtrazione dell'acqua, i pori sono dimensionati per non lasciar passare niente di più grande dell'acqua. Però, ci sono anche forze elettrostatiche tra ioni e pori. Se il materiale è progettato correttamente, queste forze fungono da ulteriore barriera agli ioni anche se sono più piccole dei pori. Questo è abbastanza ben compreso. Ma c'è ancora un'altra importante sostanza in gioco che può avere un impatto sulla filtrazione dell'acqua, e questa è in realtà la molecola d'acqua stessa."

Il professor Yoshihisa Harada dell'Istituto di fisica dello stato solido di UTokyo e il suo team si erano proposti di descrivere completamente ciò che è stato a lungo sospettato ma non è mai stato spiegato prima:come le molecole d'acqua nel sito di un poro interagiscono con le molecole d'acqua e gli ioni circostanti. Questo è in realtà molto significativo su questa scala minuscola, dove anche le forze sottili possono influire sulle prestazioni complessive della membrana di filtrazione. È anche estremamente difficile estrarre questo tipo di informazioni dai sistemi fisici.

"In teoria potremmo usare simulazioni al computer per modellare con precisione come si comporta e interagisce l'acqua durante la filtrazione, ma tali simulazioni richiederebbero grandi quantità di potenza di supercalcolo, " disse Harada. "Così almeno inizialmente, ci siamo rivolti a un metodo fisico per esplorare questi meccanismi, chiamata spettroscopia di emissione di raggi X molli ad alta risoluzione basata su sincrotrone. Questa stessa era una sfida estremamente complessa".

Questo processo funziona prendendo le emissioni di raggi X da un sincrotrone, un acceleratore di particelle, e indirizzandoli al campione in analisi. Il campione, in questo caso la membrana e le molecole d'acqua, altera alcune caratteristiche del fascio di raggi X, prima che venga rilevato e registrato da un sensore ad alta risoluzione. I cambiamenti imposti al raggio di raggi X dicono ai ricercatori cosa stava succedendo all'interno del campione con un alto grado di precisione.

"Non è facile, " disse Harada. "A causa della sottigliezza delle membrane, i segnali che ci aspettavamo dalle molecole d'acqua bersaglio nei pori sono difficili da differenziare dai segnali di fondo a causa della massa di altre molecole d'acqua. So we had to subtract the background-level signals to make our target signals more visible. But now I am pleased that we can present the first-ever description of water acting as part of its host material. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

"Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, Per esempio, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, pure.

"What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.