Pecahkan misteri alam penyaringan air untuk menciptakan air bersih dengan konsumsi energi yang lebih sedikit

Saluran lipat ini membantu mengangkut air dengan memblokir molekul yang tidak diinginkan seperti garam. Penulis: University of Texas di Austin / Corel Institute Institute

Bagi banyak insinyur dan ilmuwan, alam adalah inspirasi terbesar di dunia. Mereka berusaha untuk lebih memahami proses alami yang telah berkembang selama jutaan tahun, menirunya dengan cara yang dapat bermanfaat bagi masyarakat dan terkadang bahkan memperbaikinya.

Tim peneliti interdisipliner internasional, termasuk para insinyur dari University of Austin, telah menemukan cara untuk mereplikasi proses alami yang menggerakkan air antar sel, untuk meningkatkan cara menyaring garam dan elemen serta molekul lain untuk menciptakan air bersih. mengkonsumsi lebih sedikit energi.

Dalam makalah baru yang diterbitkan hari ini (20 Mei 2021) di Nanoteknologi alam, peneliti telah menciptakan saluran transportasi air seukuran molekul yang dapat membawa air antar sel, tidak termasuk proton dan molekul yang tidak diinginkan. Saluran ini meniru fungsi transportasi air dari protein dalam tubuh kita yang dikenal sebagai aquaporin. Di dalam sel kita, pengangkutan proton yang tidak terkendali bersama dengan air dapat berbahaya karena dapat mengubah pH sel, berpotensi mengganggu atau membunuhnya.

Ini adalah kasus pertama saluran nanometer buatan yang benar-benar dapat meniru fitur dasar pengangkutan air dari saluran air biologis ini. Dan itu dapat meningkatkan kemampuan membran untuk secara efektif menyaring molekul dan elemen yang tidak diinginkan sambil mempercepat pengangkutan air, membuatnya lebih murah untuk membuat pasokan bersih.

Saluran yang canggih membantu mengangkut air dengan memblokir molekul yang tidak diinginkan

Saluran lipat ini membantu mengangkut air dengan memblokir molekul yang tidak diinginkan seperti garam. Penulis: University of Texas di Austin / Corel Institute Institute

“Itu meniru alam, tapi itu melanggar aturan yang ditetapkan oleh alam,” kata Manish Kumar, seorang profesor di Departemen Teknik Sipil, Arsitektur dan Lingkungan di Sekolah Karelian. “Saluran ini memfasilitasi pengangkutan cepat molekul yang Anda butuhkan, seperti air, dan memblokir yang tidak Anda inginkan, seperti garam.”

Saluran air buatan kelompok peneliti dapat melakukan fungsi yang sama dengan aquaparin, yang sangat penting pada tingkat yang lebih tinggi untuk desalinasi, pemurnian air, dan proses pemisahan molekul lainnya. Dan mereka melakukan ini dengan mengangkut air 2,5 kali lebih cepat dari uap air.

Saluran buatan memiliki lebar tiga nanometer dan panjang tiga nanometer. Jika tertutup rapat dalam membran dengan ukuran yang benar, saluran dapat melewatkan sekitar 80 kilogram air per detik per meter persegi membran, membuang garam dan proton dengan kecepatan yang jauh lebih besar daripada membran desalinasi saat ini.

“Saluran buatan ini pada dasarnya memecahkan masalah teknis kritis hanya dengan membiarkan molekul air lewat, dengan pengecualian zat terlarut lain seperti garam dan proton,” kata Profesor Huaqiang Zeng dari Fakultas Kimia Universitas Hainan dan Institut Sintesis Lanjutan Politeknik Barat Laut China. “Kecepatan transportasi airnya yang luar biasa dan fakta bahwa saluran ini mempermudah pembuatan membran menunjukkan bahwa mereka akan menjadi komponen penting dari membran generasi berikutnya untuk air bersih guna mengatasi kekurangan serius manusia di abad ini.”

Kanal berbasis aquaparin sangat kecil sehingga hanya melewati satu molekul air pada satu waktu, seperti jalan satu jalur. Fitur struktural yang unik dari saluran baru ini adalah serangkaian lipatan saluran yang menciptakan “pita” tambahan, yang memungkinkan molekul air diangkut lebih cepat.

“Anda berpindah dari jalan pedesaan ke jalan raya dalam hal kecepatan air, tanpa melewatkan hal-hal lain, menciptakan gundukan kecil di jalan,” kata Alexei Aksimentyev, seorang profesor fisika biologi di University of Illinois di Urban-Company, yang berkolaborasi dalam penelitian.

Kumar lulus kelas yang mengajar Aksementyev tentang fisika mesin nano saat belajar di PhD. di bidang Teknik Lingkungan di University of Illinois. Kursus tersebut, katanya, sama menantang saat terjadi, dan dia masih mengacu pada catatan kelasnya bertahun-tahun kemudian.

Mereka bekerja sama di atas kertas ketika Kumar masih menjadi siswa. Dan kemudian, ketika dia menjadi profesor, Aksimentyev membantunya dalam pemodelan di pekerjaan lain. Selama bertahun-tahun mereka telah bekerja sama dalam studi kanal transportasi air.

Kelompok interdisipliner mencakup guru dan peneliti dari seluruh dunia di bidang fisika, teknik kimia, farmakologi, dan banyak lainnya. Para peneliti berasal dari UT Austin, University of Illinois, Harvard Medical School, Hainan University dan Northwestern Polytechnic University di China dan NanoBio Laboratory di Singapura.

Zeng adalah penulis yang relevan dari karya tersebut. Kumar melakukan bagian uji proyek, dan Aksimentyev melakukan pekerjaan pemodelan.

Awal tahun ini, Kumar bekerja sama dengan para peneliti di University of Pennsylvania atas penemuan yang menjelaskan cara kerja membran desalinasi air tradisional. Mereka menemukan bahwa keseragaman membran mempercepat pengangkutan air dan meningkatkan proses penyaringan garam.

Karya baru ini, kata Kumar, membawa konsep ke tingkat lain. Saluran ini hanya bisa berukuran satu untuk menampung molekul air yang tepat, memeras molekul lain yang tidak diinginkan.

Di masa mendatang, tim berencana menggunakan saluran air buatan ini untuk menghasilkan membran reverse osmosis generasi mendatang untuk mengubah air laut menjadi air minum.

Informasi: 20 Mei 2021, Nanoteknologi alam.
DOI: 10.1038 / s41565-021-00915-2

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.