Osmosi, il fenomeno fluido responsabile di innumerevoli morti per lumache per mano di bambini dispettosi, è di fondamentale importanza non solo per gran parte della biologia, ma anche all'ingegneria e all'industria. In parole più semplici, L'osmosi si riferisce al flusso di fluido attraverso una membrana guidato da una differenza di concentrazione (soluto), come l'acqua dalle cellule di una lumaca salata o assorbita dalle radici delle piante.

L'attuale teoria che descrive il comportamento guidato dall'osmosi rende le previsioni più accurate per basse concentrazioni, limitando la sua applicabilità a molti usi del mondo reale. Man mano che cresce l'interesse per la ricerca e lo sviluppo di processi dipendenti dall'osmosi, e si allarga, lo stesso vale per la necessità di una comprensione teorica più granulare dei meccanismi deterministici.

Una nuova ricerca ora fornisce questa comprensione approfondita, apparendo come un paio di pubblicazioni questa settimana nel Giornale di Fisica Chimica , da AIP Publishing. Il primo articolo decostruisce la meccanica molecolare dell'osmosi con alte concentrazioni, e generalizza i risultati per prevedere il comportamento per concentrazioni arbitrarie. La seconda parte dello studio simula quindi tramite modelli molecolari due forme chiave di flusso osmotico in un modo ampiamente utilizzabile.

"Il trasporto osmotico guidato dalla differenza di salinità si verifica in molti sistemi biologici, ed è utilizzato anche in varie applicazioni industriali, " ha detto Hiroaki Yoshida dell'ENS in Francia, coautore delle pubblicazioni abbinate. "Il recente interesse per le sue applicazioni ai dispositivi micro e nanofluidici, come per la desalinizzazione, raccolta di energia, e tecnologia biomedica, solo per citarne alcuni, stimola la crescita di questo campo di ricerca."

Il gruppo ha deciso che due pubblicazioni avrebbero fornito una panoramica più completa e utile della loro scoperta e delle sue implicazioni.

"In tale contesto, ciò che ci ha spinto ad iniziare questo lavoro è stato il fatto che, in situazioni così diverse, si incontra la limitazione dei quadri teorici esistenti per lo studio dei trasporti osmotici, " disse Yoshida. "Era urgente estendere le teorie applicabili a situazioni più ampie, e allo stesso tempo, era necessario sviluppare un metodo computazionale rilevante per gli studi numerici. Poiché questi obiettivi erano ugualmente importanti, abbiamo deciso di consegnare i due messaggi come una serie di documenti."

Indipendentemente dalla concentrazione, ci sono due diverse componenti geometriche del flusso osmotico che Yoshida e i suoi colleghi, Sophie Marbach e Lydéric Bocquet, indagato:osmosi nuda e diffusio-osmosi. Tipicamente, sono considerati in modo indipendente, ma il gruppo ha adottato un approccio diverso e ha visto il valore nel capire come si relazionano tra loro.

"L'osmosi nuda e il flusso diffusio-osmotico sono fenomeni geometricamente diversi:l'osmosi è un trasporto di liquidi attraverso una membrana, e diffusio-osmosi è un flusso parallelo all'interfaccia solido-liquido, " disse Yoshida. "Pertanto, questi fenomeni sono generalmente trattati in modo indipendente. Però, la forza trainante per questi trasporti è comune, cioè la differenza di concentrazione (o potenziale chimico), e quindi abbiamo pensato che fosse importante indagarli insieme. Quello su cui volevamo insistere era che questi due trasporti dovessero essere analizzati in un quadro comune, impiegando la barriera energetica e l'espressione di pressione osmotica generale."

Utilizzando questo quadro comune, potrebbero quindi descrivere completamente i meccanismi alla base del trasporto transmembrana con solo pochi "ingredienti" matematici. Un tale approccio unificato si presta a una più ampia generalizzabilità.

"Abbiamo rigorosamente derivato espressioni analitiche che descrivono questi due importanti fenomeni di trasporto osmotico, " ha detto Yoshida. "I punti chiave che ci hanno portato a queste espressioni analitiche sono, (i) modelli di barriera energetica, che ci permettono di descrivere l'interazione tra le particelle di soluto e le membrane, con gli ingredienti minimi; (ii) l'uso di un'espressione termodinamica generale unificata per la pressione osmotica, nel descrivere la forza trainante per questi trasporti."

Il loro rigore teorico si è poi esteso alle simulazioni a livello molecolare per verificare la teoria che riportano per prima, supportato da osservazioni di dinamiche di soluzione reali.

"In secondo luogo abbiamo effettuato simulazioni numeriche per verificare i nostri risultati teorici, " Yoshida ha detto. "Abbiamo proposto una nuova metodologia di dinamica molecolare di non equilibrio (NEMD) per realizzare la simulazione della dinamica molecolare per il flusso diffusio-osmotico. Abbiamo convalidato il metodo sia numericamente che teoricamente, e lo ha applicato a sistemi realistici con una miscela di acqua-etanolo a contatto con una superficie di grafene e silice".

Secondo Yoshida, ciò ha portato alla prima osservazione diretta del campo di velocità del flusso diffusio-osmotico. Hanno confermato che l'espressione analitica basata sulle loro ipotesi prevedeva la proprietà di trasporto del flusso diffusio-osmotico.

Anche se tanto lavoro è già completo, le loro scoperte hanno fornito solo ancora più lavoro da fare, spesso il risultato ideale dell'indagine scientifica. Le ampie implicazioni del lavoro ridimensionano i suoi potenziali benefici a fenomeni osmotici più complessi e applicazioni non sfruttate.

"I presenti risultati teorici porteranno avanti l'approccio fondamentale alla comprensione dei vari risultati sperimentali, stimare gli effetti dell'osmosi e della diffusio-osmosi nel trasporto di liquidi attraverso membrane nanoporose, " disse Yoshida. "Inoltre, il metodo NEMD proposto è uno strumento molto potente per esplorare vari fenomeni causati dalla concentrazione o dal gradiente di potenziale chimico. In particolare, trasporto diffusioforetico che coinvolge molecole complesse, come polimeri e polielettroliti (DNA), sarà esplorato in seguito."

Personalmente, Yoshida spera che il lavoro abbia un impatto positivo sulla raccolta di energia, un settore che ha un enorme potenziale di crescita con membrane innovative.

"C'è un interesse in rapida crescita per le applicazioni che utilizzano la differenza di concentrazione o i gradienti per estrarre energia, " ha detto. "Un esempio che mostra il potenziale della differenza di concentrazione è il fatto che quando l'acqua dolce del fiume si mescola con l'acqua del mare, si sprigiona un'energia pari ad una cascata alta 270 m. L'uso di membrane con nuovi materiali per la generazione di energia è un argomento di ricerca molto attivo".