一个由工程师和科学家组成的多学科小组发现了一种新的水过滤方法,这种方法可能对多种技术产生影响,如海水淡化厂、透气和保护织物以及气体分离中的碳捕获。由德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院的Manish Kumar领导的研究小组在最新一期的《科学》杂志上发表了他们的研究结果自然纳米技术。
这项研究汇集了来自德克萨斯大学奥斯汀分校、宾夕法尼亚州立大学、田纳西大学、复旦大学和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员,最初的灵感来自于我们的细胞在全身输送水的方式,并开始尝试开发跨膜输送水的人工通道。目的是模拟水通道蛋白,水通道蛋白是在某些细胞中发现的作为水通道的基本膜蛋白。水通道蛋白是一种快速高效的水过滤系统。它们在身体各个部位(眼睛、肾脏和肺部)的细胞膜上形成毛孔,这些部位对水的需求最大。
库马尔和他的团队并没有按照计划完全镜像水通道蛋白系统。相反,他们发现了一种更有效的水过滤过程。不同于人体单个的水通道蛋白细胞,它们彼此独立有效地发挥作用,库马尔的研究小组开发的膜不能很好地单独工作。
但是,当他将其中的几个组合成“水线”网络时,它们在水的运输和过滤方面非常有效。水线是紧密相连的水分子链,移动速度极快,就像火车和它的个别车厢一样。
科克雷尔学院土木、建筑和环境工程系副教授库马尔说:“我们试图复制水通道蛋白使用的已经很复杂的水运过程,偶然发现了一种全新的、甚至更好的方法。”“这完全是偶然的。我们根本不知道会发生这种事。”
这些人工膜网络可以用于从水中分离盐,这是一种目前效率低下且成本高昂的过滤过程。新膜显示出令人印象深刻的脱盐性能,与现有工艺相比,表现出更多的选择性盐和可能的其他污染物去除。
库马尔说:“就其选择性和渗透性而言,我们的方法比目前的海水淡化工艺效率高一千倍。”“每10000个盐水分子通过目前的海水淡化系统,可能就有一个盐分子没有被过滤掉。通过我们的新膜技术,每1000万个水分子中就有一个盐分子不会被过滤掉,同时保持与现有膜相当或更好的水运输速率。”
在他的整个职业生涯中,Kumar一直专注于开发具有生物分子模型功能的材料和工艺,并将其应用于工程规模。
他说:“即使是有效地模仿人体运作的复杂性,尤其是在分子水平上,也是很困难的。”“然而,这一次,大自然是一个比我们所希望的更伟大发现的起点。”
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材料所提供的德克萨斯大学奥斯汀分校。注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。
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