Per molti ingegneri e scienziati, la natura è la più grande musa del mondo. Cercano di comprendere meglio i processi naturali che si sono evoluti nel corso di milioni di anni, imitarli in modi che possono avvantaggiare la società e talvolta persino migliorarli.

Un internazionale, team interdisciplinare di ricercatori che include ingegneri dell'Università di Austin ha trovato un modo per replicare un processo naturale che sposta l'acqua tra le cellule, con l'obiettivo di migliorare il modo in cui filtriamo il sale e altri elementi e molecole per creare acqua pulita consumando meno energia.

In un nuovo articolo pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura, i ricercatori hanno creato un canale di trasporto dell'acqua delle dimensioni di una molecola che può trasportare l'acqua tra le cellule escludendo i protoni e le molecole indesiderate. Questi canali imitano le funzioni di trasporto dell'acqua delle proteine ​​del nostro corpo note come acquaporine. Nelle nostre cellule, il trasporto incontrollato di protoni insieme all'acqua può essere dannoso perché possono modificare il pH delle cellule, potenzialmente interrompendoli o uccidendoli.

Questa è la prima istanza di un canale artificiale di dimensioni nanometriche che può davvero emulare le principali caratteristiche di trasporto dell'acqua di questi canali d'acqua biologici. E potrebbe migliorare la capacità delle membrane di filtrare efficacemente molecole ed elementi indesiderati, accelerando il trasporto dell'acqua, rendendo più economico creare una fornitura pulita.

"Copia la natura, ma lo fa infrangendo le regole che la natura ha stabilito, " disse Manish Kumar, un assistente professore presso il Dipartimento di Civile della Cockrell School of Engineering, Ingegneria architettonica e ambientale. "Questi canali facilitano il trasporto veloce delle molecole desiderate, Come l'acqua, e blocca quelli che non vuoi, come il sale".

I canali d'acqua artificiali del team di ricerca possono svolgere le stesse funzioni delle acquaporine, che sono cruciali a un livello più ampio per la desalinizzazione, purificazione dell'acqua e altri processi per la separazione delle molecole. E lo fanno trasportando l'acqua 2,5 volte più velocemente rispetto alle acquaporine.

I canali artificiali sono tre nanometri di larghezza per tre nanometri di lunghezza. Se densamente confezionato nella membrana di dimensioni corrette, i canali possono far passare circa 80 chilogrammi di acqua al secondo per metro quadrato di membrana, mentre respinge sali e protoni a velocità molto più elevate di quelle di cui sono capaci le attuali membrane di desalinizzazione commerciali.

"Questi canali artificiali in sostanza risolvono le sfide tecniche critiche di consentire solo il passaggio delle molecole d'acqua escludendo altri soluti come sale e protoni, " ha affermato il professor Huaqiang Zeng del Dipartimento di Chimica dell'Università di Hainan e dell'Istituto di sintesi avanzata della Northwestern Polytechnical University in Cina. "La loro straordinaria velocità di trasporto dell'acqua e il fatto che questi canali consentono una più semplice fabbricazione della membrana suggeriscono che diventeranno una componente cruciale del membrane di nuova generazione per la produzione di acqua pulita per affrontare la grave scarsità che gli esseri umani devono affrontare in questo secolo".

I canali a base di acquaporina sono così piccoli da consentire il passaggio di una sola molecola d'acqua alla volta, come una strada a corsia unica. Una caratteristica strutturale unica in questi nuovi canali è una serie di pieghe nei canali che creano ulteriori "corsie, " per così dire, permettendo alle molecole d'acqua di essere trasportate più velocemente.

"Stai passando da una strada di campagna a un'autostrada in termini di velocità di trasporto dell'acqua, pur tenendo fuori altre cose mettendo piccoli dossi sulla strada, " disse Aleksej Aksimentiev, un professore di fisica biologica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign che ha collaborato alla ricerca.

Kumar ha frequentato un corso tenuto da Aksimentiev sulla fisica delle nanomacchine mentre studiava per il suo dottorato di ricerca. in ingegneria ambientale presso l'Università dell'Illinois. Il corso, Egli ha detto, è stato impegnativo quanto viene, e fa ancora riferimento ai suoi appunti della classe anni dopo.

Hanno lavorato insieme su un documento quando Kumar era uno studente. E poi quando è diventato professore, Aksimentiev lo ha aiutato con il lavoro di simulazione su un altro documento. Da anni ormai, stanno collaborando allo studio dei canali di trasporto dell'acqua.

Il team interdisciplinare comprende docenti e ricercatori di tutto il mondo in fisica, Ingegneria Chimica, farmacologia e altro. I ricercatori provengono da UT Austin, Università dell'Illinois, Facoltà di Medicina di Harvard, Hainan University e Northwestern Polytechnical University in Cina e NanoBio Lab a Singapore.

Zeng è l'autore corrispondente sull'articolo. Kumar ha guidato la parte di test del progetto e Aksimentiev ha guidato il lavoro di simulazione.

All'inizio di quest'anno, Kumar ha collaborato con i ricercatori della Penn State University a una scoperta che ha gettato nuova luce sul funzionamento delle tradizionali membrane di desalinizzazione dell'acqua. Hanno scoperto che l'uniformità in tutta la membrana accelera il trasporto dell'acqua e migliora il processo di filtraggio del sale.

Questo nuovo lavoro, Kumar dice, porta quel concetto ad un altro livello. Questi canali possono essere di una sola dimensione per adattarsi alle molecole d'acqua desiderate mentre spremono altre molecole indesiderate.

Andando avanti, il team prevede di utilizzare questi canali d'acqua artificiali per fabbricare membrane di osmosi inversa di prossima generazione per convertire l'acqua di mare in acqua potabile.