Le separazioni delle membrane sono diventate fondamentali per l'esistenza umana, senza esempio migliore della purificazione dell'acqua. Man mano che la scarsità d'acqua diventa più comune e le comunità iniziano a esaurire l'acqua disponibile a basso costo, hanno bisogno di integrare le loro scorte con acqua desalinizzata proveniente da acqua di mare e da fonti di acqua salmastra.

I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno creato pori di nanotubi di carbonio (CNT) così efficienti nel rimuovere il sale dall'acqua da essere paragonabili alle membrane di desalinizzazione commerciali. Questi minuscoli pori hanno un diametro di appena 0,8 nanometri (nm). In confronto, un capello umano è 60, 000 nm di diametro. La ricerca appare sulla copertina del numero del 18 settembre della rivista Progressi scientifici .

La tecnologia dominante per rimuovere il sale dall'acqua, osmosi inversa, utilizza membrane composite a film sottile (TFC) per separare l'acqua dagli ioni presenti nei flussi di alimentazione salina. Però, rimangono alcuni problemi di prestazioni fondamentali. Per esempio, Le membrane TFC sono vincolate dai compromessi permeabilità-selettività e spesso hanno un rifiuto insufficiente di alcuni ioni e microinquinanti in tracce, richiedendo ulteriori fasi di purificazione che aumentano l'energia e il costo.

Canali d'acqua biologici, noto anche come acquaporine, fornire un modello per le strutture che potrebbero offrire prestazioni migliorate. Hanno un poro interno estremamente stretto che comprime l'acqua fino a una configurazione a file singolo che consente una permeabilità all'acqua estremamente elevata, con velocità di trasporto superiori a 1 miliardo di molecole d'acqua al secondo attraverso ciascun poro.

"I nanotubi di carbonio rappresentano alcune delle strutture di scaffold più promettenti per i canali d'acqua artificiali a causa del basso attrito dell'acqua sulle loro superfici interne lisce, che imitano i canali d'acqua biologici, " ha detto Alex Noy, chimico LLNL e co-autore principale del rapporto.

Il team ha sviluppato porine CNT (CNTP), brevi segmenti di CNT che si autoinseriscono nelle membrane biomimetiche, che formano canali d'acqua artificiali che imitano la funzionalità del canale dell'acquaporina e la disposizione dell'acqua a file singolo intracanale. I ricercatori hanno quindi misurato il trasporto di ioni di acqua e cloruro attraverso CNTP di 0,8 nm di diametro utilizzando saggi basati sulla fluorescenza. Le simulazioni al computer e gli esperimenti che utilizzano i pori del CNT nelle membrane lipidiche hanno dimostrato il meccanismo per un flusso potenziato e un forte rigetto degli ioni attraverso i canali interni dei nanotubi di carbonio.

"Questo processo ci ha permesso di determinare il valore accurato della permselettività sale-acqua nei pori CNT stretti, " ha affermato lo scienziato dei materiali LLNL e co-autore principale Tuan Anh Pham, che ha guidato gli sforzi di simulazione dello studio. "Le simulazioni atomiche forniscono una vista dettagliata su scala molecolare dell'acqua che entra nei canali CNTP e supportano i valori di energia di attivazione".