L'acqua è forse la risorsa naturale più critica della Terra. Data la crescente domanda e le risorse idriche sempre più estese, gli scienziati stanno cercando modi più innovativi per utilizzare e riutilizzare l'acqua esistente, oltre a progettare nuovi materiali per migliorare i metodi di purificazione dell'acqua. Le membrane polimeriche semipermeabili create sinteticamente utilizzate per la rimozione dei soluti contaminanti possono fornire un livello di trattamento avanzato e migliorare l'efficienza energetica del trattamento dell'acqua; però, le lacune nelle conoscenze esistenti stanno limitando i progressi di trasformazione nella tecnologia delle membrane. Un problema fondamentale è imparare come l'affinità, o l'attrazione, tra soluti e superfici di membrana influisce su molti aspetti del processo di purificazione dell'acqua.

"L'incrostazione, dove i soluti si attaccano alle membrane e le intaccano, riduce significativamente le prestazioni ed è un grosso ostacolo nella progettazione di membrane per il trattamento dell'acqua prodotta, " ha detto il signor Scott Shell, un professore di ingegneria chimica presso l'UC Santa Barbara, che conduce simulazioni computazionali di materiali morbidi e biomateriali. "Se riusciamo a capire fondamentalmente come la viscosità dei soluti è influenzata dalla composizione chimica delle superfici delle membrane, compresa la possibile modellazione di gruppi funzionali su queste superfici, quindi possiamo iniziare a progettare la prossima generazione, membrane resistenti alle incrostazioni per respingere un'ampia gamma di tipi di soluti."

Ora, in un articolo pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS), Shell e l'autore principale Jacob Monroe, un recente dottorato di ricerca laureato del dipartimento ed ex membro del gruppo di ricerca della Shell, spiegare la rilevanza delle caratterizzazioni macroscopiche dell'affinità soluto-superficie.

"Le interazioni soluto-superficie nell'acqua determinano il comportamento di una vasta gamma di fenomeni fisici e tecnologie, ma sono particolarmente importanti nella separazione e purificazione dell'acqua, dove spesso molti tipi distinti di soluti devono essere rimossi o catturati, " ha detto Monroe, ora ricercatore post-dottorato presso il National Institute of Standards and Technology (NIST). "Questo lavoro affronta la grande sfida di capire come progettare membrane di nuova generazione in grado di gestire enormi volumi annuali di fonti d'acqua altamente contaminate, come quelli prodotti nelle operazioni petrolifere, dove la concentrazione di soluti è alta e le loro sostanze chimiche piuttosto diverse."

I soluti sono spesso caratterizzati come spaziano da idrofili, che può essere pensato come l'acqua e che si dissolve facilmente in acqua, all'idrofobo, o antipatia per l'acqua e preferendo separarsi dall'acqua, come l'olio. Le superfici coprono la stessa gamma; Per esempio, l'acqua si accumula sulle superfici idrofobe e si diffonde sulle superfici idrofile. I soluti idrofili amano aderire alle superfici idrofile, e i soluti idrofobici si attaccano alle superfici idrofobe. Qui, i ricercatori hanno confermato l'aspettativa che "il simile si attacca al simile, "ma anche scoperto, sorprendentemente, che il quadro completo è più complesso.

"Tra la vasta gamma di sostanze chimiche che abbiamo considerato, abbiamo scoperto che i soluti idrofili amano anche le superfici idrofobiche, e che i soluti idrofobici amano anche le superfici idrofile, sebbene queste attrattive siano più deboli di quelle di piace a piace, " ha spiegato Monroe, facendo riferimento agli otto soluti che il gruppo ha testato, che vanno da ammoniaca e acido borico, all'isopropanolo e al metano. Il gruppo ha selezionato soluti di piccole molecole che si trovano tipicamente nelle acque prodotte per fornire una prospettiva fondamentale sull'affinità soluto-superficie.

Il gruppo di ricerca computazionale ha sviluppato un algoritmo per rimodellare le superfici riorganizzando i gruppi chimici di superficie al fine di minimizzare o massimizzare l'affinità di un dato soluto alla superficie, o in alternativa, per massimizzare l'affinità superficiale di un soluto rispetto a quella di un altro. L'approccio si basava su un algoritmo genetico che "evolse" i modelli di superficie in modo simile alla selezione naturale, ottimizzandoli verso un particolare obiettivo di funzione.

Attraverso simulazioni, il team ha scoperto che l'affinità superficiale era scarsamente correlata ai metodi convenzionali di idrofobicità dei soluti, ad esempio quanto è solubile un soluto in acqua. Anziché, hanno trovato una connessione più forte tra l'affinità superficiale e il modo in cui le molecole d'acqua vicino a una superficie o vicino a un soluto cambiano le loro strutture in risposta. In alcuni casi, queste acque limitrofe furono costrette ad adottare strutture sfavorevoli; avvicinandosi a superfici idrofobiche, i soluti potrebbero quindi ridurre il numero di tali molecole d'acqua sfavorevoli, fornendo una forza trainante complessiva per l'affinità.

"L'ingrediente mancante era capire come sono strutturate le molecole d'acqua vicino a una superficie e come si muovono intorno ad essa, " ha detto Monroe. "In particolare, le fluttuazioni strutturali dell'acqua sono migliorate vicino alle superfici idrofobiche, rispetto all'acqua sfusa, o l'acqua lontano dalla superficie. Abbiamo scoperto che le fluttuazioni determinavano la viscosità di ogni piccolo tipo di soluto che abbiamo testato. "

Il ritrovamento è significativo perché mostra che nella progettazione di nuove superfici, i ricercatori dovrebbero concentrarsi sulla risposta delle molecole d'acqua intorno a loro ed evitare di essere guidati dalle metriche convenzionali di idrofobicità.

Sulla base delle loro scoperte, Monroe e Shell affermano che le superfici composte da diversi tipi di chimica molecolare possono essere la chiave per raggiungere molteplici obiettivi prestazionali, come impedire a un assortimento di soluti di sporcare una membrana.

"Le superfici con più tipi di gruppi chimici offrono un grande potenziale. Abbiamo dimostrato che non solo la presenza di diversi gruppi di superficie, ma la loro disposizione o schema, influenzare l'affinità soluto-superficie, " ha detto Monroe. "Solo riorganizzando il modello spaziale, diventa possibile aumentare o diminuire significativamente l'affinità superficiale di un dato soluto, senza cambiare quanti gruppi di superficie sono presenti."

Secondo la squadra, i loro risultati mostrano che i metodi computazionali possono contribuire in modo significativo ai sistemi a membrana di prossima generazione per il trattamento sostenibile delle acque.

"Questo lavoro ha fornito informazioni dettagliate sulle interazioni su scala molecolare che controllano l'affinità soluto-superficie, " disse Conchiglia, la cattedra del fondatore di John E. Myers in ingegneria chimica. "Inoltre, mostra che la modellazione della superficie offre una potente strategia di progettazione nelle membrane ingegneristiche resistenti alle incrostazioni di una varietà di contaminanti e che può controllare con precisione come viene separato ciascun tipo di soluto. Di conseguenza, offre regole e obiettivi di progettazione molecolare per sistemi a membrana di nuova generazione in grado di purificare acque altamente contaminate in modo efficiente dal punto di vista energetico."

La maggior parte delle superfici esaminate erano sistemi modello, semplificato per facilitare l'analisi e la comprensione. I ricercatori affermano che il prossimo passo naturale sarà quello di esaminare superfici sempre più complesse e realistiche che imitano più da vicino le membrane reali utilizzate nel trattamento dell'acqua. Un altro passo importante per avvicinare la modellazione alla progettazione della membrana sarà andare oltre la semplice comprensione di quanto una membrana sia appiccicosa per un soluto e verso il calcolo delle velocità con cui i soluti si muovono attraverso le membrane.