Bagaimana air dapat mempengaruhi filtrasinya sendiri untuk membuat membran yang sangat selektif, seperti filter antivirus

Membran subnanopori dari pengolahan air kristal bisa sangat selektif terhadap apa yang dilewatinya. Kredit: © 2020 Kato dan Harada dkk.

Membran dengan pori mikroskopis berguna untuk penyaringan air. Pengaruh ukuran pori pada filtrasi air dipahami dengan baik, seperti peran ion, atom bermuatan, yang berinteraksi dengan membran. Untuk pertama kalinya, para peneliti berhasil mendeskripsikan dampak yang ditimbulkan molekul air terhadap molekul dan ion air lainnya sebagai bagian dari mekanisme filtrasi. Para peneliti merinci sistem umpan balik antara molekul air yang membuka kemungkinan desain baru untuk membran yang sangat selektif. Aplikasi mungkin menyertakan filter antivirus.

Kimia sintetik adalah bidang studi yang berkaitan dengan penciptaan dan eksplorasi zat dan bahan baru yang tidak ada di alam. Terkadang, properti atau perilaku tertentu dari suatu bahan diperlukan untuk aplikasi seperti farmasi atau manufaktur berteknologi tinggi. Kimia sintetis dapat membantu menemukan, membuat, atau memurnikan bahan yang sesuai. Misalnya, apa yang disebut membran kristal cair sintetis dapat digunakan untuk penyaringan air.

Saat menyaring air atau cairan lain, tujuannya adalah untuk memisahkan komponen kimia, seperti ion, dari fluida target. Menggunakan membran berpori bisa menjadi metode utama untuk melakukan ini. Secara intuitif jelas bahwa lubang di suatu permukaan akan mencegah lewatnya sesuatu yang lebih besar dari lubang. Tetapi membran tingkat lanjut, seperti membran kristal cair sintetis, dapat memiliki pori-pori hanya beberapa nanometer, seperseribu meter. Pada timbangan ini, terdapat lebih banyak fungsi membran daripada ukuran pori.

“Kimia memainkan peran penting dalam apa yang terjadi pada skala kecil ini,” kata Profesor Takashi Kato, dari Departemen Kimia dan Bioteknologi di Universitas Tokyo. “Dalam kasus penyaringan air, ukuran pori-porinya memungkinkan tidak ada yang lebih besar dari air untuk melewatinya. Namun, ada juga gaya elektrostatis antara ion dan pori-pori. Jika material dirancang dengan benar, gaya ini berfungsi sebagai penghalang lebih lanjut ke ion meskipun lebih kecil dari pori-pori. Ini cukup dipahami dengan baik. Tapi ada zat penting lain yang dipertaruhkan yang dapat memengaruhi penyaringan air, dan sebenarnya itu adalah molekul air itu sendiri. “

Profesor Yoshihisa Harada dari UTokyo Solid State Institute of Physics dan timnya telah menjelaskan secara lengkap apa yang telah lama diduga tetapi belum pernah dijelaskan sebelumnya: bagaimana molekul air dari lokasi pori berinteraksi dengan molekul air dan ion sekitarnya. Ini benar-benar sangat signifikan pada skala kecil ini, di mana kekuatan halus sekalipun dapat mempengaruhi kinerja keseluruhan membran filtrasi. Juga sangat sulit untuk mengekstrak jenis informasi ini dari sistem fisik.

“Secara teori, kami dapat menggunakan simulasi komputer untuk secara akurat memodelkan perilaku dan interaksi air selama penyaringan, tetapi simulasi semacam itu akan membutuhkan daya superkomputer dalam jumlah besar,” kata Harada. “Jadi, setidaknya pada awalnya, kami menggunakan metode fisik untuk mengeksplorasi mekanisme ini, yang disebut spektroskopi emisi sinar-X lembut resolusi tinggi berbasis synchrotron. Ini adalah tantangan yang sangat kompleks. “

Proses ini bekerja dengan mengambil emisi sinar-X dari sinkrotron, akselerator partikel, dan mengarahkannya ke sampel yang dianalisis. Sampel, dalam hal ini membran dan molekul air, mengubah beberapa karakteristik berkas sinar-X sebelum dideteksi dan direkam oleh sensor resolusi tinggi. Perubahan yang dikenakan pada sinar X-ray memberi tahu para peneliti apa yang terjadi di dalam sampel hingga tingkat yang tinggi. presisi.

Itu tidak mudah, kata Harada. “Karena ketipisan membran, sinyal yang kami harapkan dari molekul air target di pori-pori sulit dibedakan dari sinyal latar belakang karena kebanyakan molekul air lainnya. Oleh karena itu, kami harus mengurangi sinyal latar belakang agar sinyal target lebih terlihat. Tetapi sekarang saya senang kami dapat menyajikan deskripsi pertama tentang air yang bertindak sebagai bagian dari materi induk. Dengan melaksanakan jenis ilmu dasar ini, kami berharap mereka dapat memberikan sarana agar orang lain dapat memanfaatkannya ”.

Model peralatan baru menjelaskan bagaimana interaksi molekul air dimodulasi oleh partikel bermuatan sangat dekat. Dalam pori-pori membran, molekul air yang dimodulasi dengan cara tertentu terikat secara istimewa dengan molekul volume yang termodulasi air lainnya. Sistem dinamis seperti ini, di mana perubahan pada beberapa properti menyebabkan perubahan tambahan pada properti yang sama, dikenal sebagai umpan balik. Meskipun secara matematis terlihat rumit, model ini dapat membantu teknisi membuat metode filtrasi baru dan efektif.

“Membran kristal cair sudah memiliki ukuran pori yang sempurna, sedangkan jenis membran sebelumnya lebih variatif,” kata Kato. “Dikombinasikan dengan pengetahuan baru kami, kami bertujuan untuk menciptakan membran yang bahkan lebih selektif tentang apa yang mereka lepaskan daripada apa pun yang telah datang sebelumnya. Ini bisa melakukan lebih dari sekedar memurnikan air; mereka dapat berguna, misalnya, dalam konstruksi baterai lithium-ion, sebagai elektrolit yang membawa ion litium di antara elektroda, dan bahkan sebagai filter virus. Karena membran ini sangat selektif, mereka dapat disesuaikan untuk memblokir hanya hal-hal yang sangat spesifik, yang berarti mereka juga dapat digunakan untuk waktu yang lama sebelum jenuh. “

Ada beberapa area yang ingin dieksplorasi Harada, Kato, dan rekannya lebih jauh. Eksperimen fisik awal ini akan menginformasikan model komputer, jadi simulasi komputer tingkat lanjut adalah salah satunya. Tetapi mereka juga ingin melihat membran sel yang secara alami terlibat dalam perjalanan ion seperti kalium dan natrium; mempelajarinya juga dapat membantu meningkatkan membran buatan.

“Yang menarik di sini adalah bagaimana kimia, fisika, dan biologi bergabung untuk menjelaskan hal-hal yang tampaknya rumit,” kata Harada.

Referensi: “Selektivitas ionik molekul air dalam cairan subnanopori dan membran pengolahan air kristal: studi struktural ikatan hidrogen” oleh Ryusuke Watanabe, Takeshi Sakamoto, Kosuke Yamazoe, Jun Miyawaki, Takashi Kato dan Yoshihisa Harada, 19 Oktober 2020, Angewandte Chemie Edisi Internasional.
DOI: 10.1002 / anie.202008148

Pekerjaan ini dilakukan melalui investigasi bersama oleh Organisasi Penelitian Radiasi Synchrotron dan Institut Fisika Solid State di Universitas Tokyo (Nomor Proposal 2017B7403 dan 20207507). Pekerjaan ini didukung oleh Nomor Hibah JSPS KAKENHI JP19H05715 dan JP19H05717 (Bantuan Hibah untuk Penelitian Penelitian Bidang Inovatif: Bahan Fungsional Perairan).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.