Paano makakaapekto ang tubig sa sarili nitong pagsala upang makabuo ng mga lubos na pumipili ng lamad, tulad ng mga filter ng viral

Ang isang subnanoporous membrane para sa pagpapagamot ng likidong mala-kristal na tubig ay maaaring maging lubos na pumipili sa kung ano ang pinapayagan itong dumaan. Kredito: © 2020 Kato at Harada et al.

Ang mga membranes na may microscopic pores ay kapaki-pakinabang para sa pagsala ng tubig. Ang epekto ng laki ng pore sa pagsala ng tubig ay kilalang kilala, pati na rin ang papel na ginagampanan ng mga ions, sisingilin ng mga atom na nakikipag-ugnay sa lamad. Sa kauna-unahang pagkakataon, matagumpay na inilarawan ng mga siyentista ang epekto ng mga molekula ng tubig sa iba pang mga molekula ng tubig at sa mga ions bilang bahagi ng mekanismo ng pagsasala. Inilarawan ng mga mananaliksik nang detalyado ang sistema ng puna sa pagitan ng mga molekula ng tubig, na nagbubukas ng mga bagong posibilidad ng disenyo para sa lubos na pumipili ng mga lamad. Maaaring may kasamang mga filter ng antivirus ang mga application.

Ang synthetic chemistry ay isang larangan ng pag-aaral na nauugnay sa paglikha at pagsasaliksik ng mga bagong sangkap at materyales na wala sa likas na katangian. Minsan ang isang tukoy na pag-aari o pag-uugali ng isang materyal, tulad ng paggawa ng parmasyutiko o high-tech, ay kinakailangan para sa aplikasyon. Ang kemikal na gawa ng tao ay maaaring makatulong na makahanap, lumikha o mapabuti ang mga angkop na materyales. Halimbawa, ang tinatawag na synthetic likidong kristal na lamad ay maaaring magamit upang salain ang tubig.

Kapag ang pagsala ng tubig o iba pang mga likido, ang layunin ay paghiwalayin ang mga sangkap ng kemikal, tulad ng mga ions, mula sa target na likido. Ang pangunahing pamamaraan ay maaaring gumamit ng isang porous membrane. Ito ay intuitively halata na ang mga butas sa ibabaw itigil ang daanan ng isang bagay na mas malaki kaysa sa isang butas. Ngunit ang mga advanced na lamad, tulad ng mga gawa ng tao na likidong kristal na lamad, ay maaaring magkaroon ng mga pores na kasing liit ng ilang mga nanometro, na may bilyong isang metro ang lapad. Sa mga kaliskis na ito, ang pagpapaandar ng lamad ay higit pa sa laki ng pore.

“Malaki ang papel ng Chemistry sa nangyayari sa maliliit na kaliskis na ito,” sabi ni Propesor Takashi Kato ng Department of Chemistry and Biotechnology sa University of Tokyo. “Sa kaso ng pagsala ng tubig, ang mga pores ay dimensyonado upang walang mas malaki kaysa sa tubig na dumadaan.” Gayunpaman, mayroon ding mga pwersang electrostatic sa pagitan ng mga ions at pores. Kung ang materyal ay idinisenyo nang tama, ang mga puwersang ito ay nagsisilbing isang karagdagang hadlang sa mga ions, kahit na mas maliit ito sa mga pores. Iyon ay lubos na nauunawaan. Ngunit may isa pang mahalagang sangkap na pinaglalaruan na maaaring makaapekto sa pagsala ng tubig, at iyon talaga ang Molekyul ng tubig mismo. “

Si Propesor Yoshihisa Harada ng Institute of Solid State Physics sa Tokyo at ang kanyang koponan ay nagpasya na ganap na ilarawan kung ano ang matagal nang pinaghihinalaan, ngunit hindi pa ito naipaliwanag dati: kung paano nakikipag-ugnay ang mga molekula ng tubig sa pore site sa mga molekula at ions ng nakapaligid na tubig. Ito ay sa katunayan napakahalaga sa minutong sukat na ito, kung saan kahit na ang banayad na pwersa ay maaaring makaapekto sa pangkalahatang pagganap ng lamad ng filter. Napakahirap din upang makakuha ng ganitong uri ng impormasyon mula sa mga pisikal na sistema.

“Sa teoretikal, maaari naming gamitin ang mga simulation ng computer upang tumpak na i-modelo ang pag-uugali at pakikipag-ugnay ng tubig sa panahon ng pagsala, ngunit ang mga nasabing simulation ay mangangailangan ng isang malaking halaga ng supercomputer power,” Harada said. “Hindi bababa sa una, bumaling kami sa pisikal na pamamaraan ng pagsisiyasat sa mga mekanismong ito, na tinatawag na high-resolution soft X-ray emission spectroscopy batay sa synchrotrons.” Ito mismo ay isang napakahirap na hamon. “

Gumagana ang prosesong ito sa pamamagitan ng pagtanggap ng mga emissions ng X-ray mula sa isang synchrotron, isang accelerator ng maliit na butil, at pagdidirekta sa mga ito sa sample na sinusuri. Ang sample, sa kasong ito ang mga lamad at mga molekula ng tubig, binabago ang ilan sa mga pag-aari ng X-ray beam bago ito nakita at napansin ng isang sensor na may mataas na resolusyon. Ang mga pagbabagong idineposito sa X-ray beam ay nagsasabi sa mga siyentista sa isang malaking lawak kung ano ang nangyayari sa sample kawastuhan.

“Hindi madali,” sabi ni Harada. “Dahil sa pagiging payat ng mga lamad, ang mga signal na inaasahan namin mula sa target na mga molekula ng tubig sa mga butas ay mahirap makilala mula sa mga signal sa background dahil sa bilang ng iba pang mga molekula ng tubig.” Kaya kinailangan naming bawasan ang mga signal sa antas ng background upang gawing mas nakikita ang aming mga target na signal. Ngunit ngayon natutuwa akong maipakita namin ang pinakaunang paglalarawan ng tubig na gumaganap bilang bahagi ng materyal na pang-host nito. Sa pamamagitan ng paggawa ng ganitong uri ng pangunahing agham, inaasahan namin na magbibigay ito ng mga tool na maaaring maitayo ng iba. “

Inilalarawan ng mga bagong modelo ng pangkat kung paano ang mga pakikipag-ugnayan ng mga molekula ng tubig ay binago ng mga sisingilin na mga maliit na butil sa malapit. Sa mga pores ng lamad, ang mga molekulang tubig ay mas nais na maiugnay sa ilang paraan sa iba pang mga modulated na molekula ng tubig sa dami. Ang isang sistemang tulad nito, kung saan ang pagbabago sa ilang pag-aari ay nagiging sanhi ng isa pang pagbabago sa parehong pag-aari, ay kilala bilang isang loop ng feedback. Bagaman mukhang kumplikado sa matematika, ang mga modelong ito ay makakatulong sa mga inhinyero na lumikha ng bago at mahusay na mga pamamaraan ng pag-filter.

“Ang mga likidong kristal na lamad ay mayroon nang perpektong malalaking pores, habang ang mga nakaraang uri ng lamad ay mas magkakaiba,” sabi ni Kato. “Pinagsama sa aming bagong kaalaman, sinusubukan naming lumikha ng mga lamad na mas pumipili para sa kung ano ang pinakawalan nila kaysa sa anumang nauna.” Iyon ay gagawin nang higit pa sa paglilinis ng tubig; maaari silang maging kapaki-pakinabang, halimbawa, sa pagtatayo ng mga baterya ng lithium-ion, tulad ng mga electrolyte na naglilipat ng mga ion ng lithium sa pagitan ng mga electrode, at maging bilang isang filter ng viral. Dahil ang mga lamad na ito ay napakapili, maaari silang mai-tune upang harangan ang mga napaka-tukoy na bagay, na nangangahulugang maaari din itong magamit nang mahabang panahon bago mababad. “

Mayroong maraming mga lugar na nais ng Harada, Kato at kanilang mga kasamahan na galugarin pa. Ang mga paunang eksperimentong ito sa pisika ay magbibigay-alam sa mga modelo ng computer, kaya ang isang tulad na lugar ay ang mga advanced na simulation ng computer. Gayunpaman, nais din nilang tingnan ang mga lamad ng cell na natural na pumagitna sa pagdaan ng mga ions, tulad ng potasa at sodium – ang pag-aaral sa mga ito ay makakatulong din na mapabuti ang mga artipisyal na lamad.

“Nakakatuwa dito kung paano nagsasama-sama ang kimika, pisika at biology upang magbigay ng ilaw sa ganoong tila kumplikadong mga bagay,” Harada said.

Sanggunian: “Ionic Selectivity of Water Molecules in Liquid and Crystal Water Treatment Membranes in Subnanoporesis: A Structural Study of Hydrogen Bonding” ni Ryusuke Watanabe, Takeshi Sakamoto, Kosuke Yamazoe, Jun Miyawaki, Takashi Kato, at Yoshihisa Harada, Oktubre 19, 2020, Inilapat na Chemistry International Edition.
DOI: 10.1002 / anie.202008148

Ang gawaing ito ay isinasagawa ng magkasamang pagsasaliksik ng Synchrotron Radiation Research Organization at ng Institute for Solid State Physics, University of Tokyo (mga numero ng disenyo 2017B7403 at 20207507). Ang gawaing ito ay suportado ng JSPS KAKENHI bigyan ang JP19H05715 at JP19H05717 (Grant-in-Aid para sa siyentipikong pagsasaliksik sa isang makabagong larangan: mga kagamitan sa pagganap ng tubig).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang pinagmulan ng sunscreen na itim na mga butas at ang kaugnayan nito sa madilim na bagay

Ano ang pinagmulan ng mga itim na butas at paano nauugnay ang katanungang iyon sa isa pang misteryo, ano ang bagay ng kadiliman? ...

Ang mga pulso ng laser ay kumikilos bilang isang tool sa pagpoproseso ng grade pang-industriya

Ang isang plato ng silicon dioxide 350 μm makapal na may mataas na kalidad na mga slits ng baso na may diameter na 0.25...

Paano napupunta ang mga plastik na labi sa mga basura ng karagatan

Hinulaan ang mga alon ng posibilidad ng reaksyon sa mga labi (pulang kahon) ng mga labi ng dagat. Ang mga itim na kahon...

Makabagong at hindi mapanirang diskarte para sa pagtatasa ng materyal na ibinalik mula sa Mars

Isang imahe ng pamamahagi ng ilang mga elemento mula sa isa sa mga meteorite na sinuri ng pangkat. Kredito: IBeA / UPV /...

Ang mga paruparo ng dagat ay nakikipaglaban na sa proseso ng pagpapatatag ng South Sea

Ang isang kumbinasyon ng mga butterflies sa dagat "Balik sa Limacina”Kinuha sa panahon ng paglalayag sa dagat ng AMT27. Kredito: Lisette Mekkes &...

Newsletter

Subscribe to stay updated.