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Canais dobráveis ​​ajudam a filtrar e transportar água

As equipes de pesquisa aprimoram os processos para filtrar o sal e outros elementos e moléculas para criar água limpa, consumindo menos energia.

dessalinizaçao

Para muitos engenheiros e cientistas, a natureza é a maior musa do mundo. Eles procuram entender melhor os processos naturais que evoluíram ao longo de milhões de anos, imitando-os de maneiras que podem beneficiar a sociedade e, às vezes, até melhorá-los.

Uma equipe internacional e interdisciplinar de pesquisadores que inclui engenheiros da Universidade de Austin encontrou uma maneira de replicar um processo natural que move a água entre as células, com o objetivo de melhorar a forma como filtramos o sal e outros elementos e moléculas para criar água limpa enquanto consumindo menos energia.

Em um novo artigo publicado na Nature Nanotechnology, os pesquisadores criaram um canal de transporte de água do tamanho de uma molécula que pode transportar água entre as células enquanto exclui prótons e moléculas indesejadas. Esses canais imitam as funções de transporte de água das proteínas em nossos corpos, conhecidas como aquaporinas. Em nossas células, o transporte descontrolado de prótons junto com a água pode ser prejudicial porque pode alterar o pH das células, potencialmente interrompendo-as ou matando-as.

Esta é a primeira instância de um canal artificial do tamanho de um nanômetro que pode realmente emular as principais características de transporte de água desses canais biológicos de água. E poderia melhorar a capacidade das membranas de filtrar com eficiência moléculas e elementos indesejados, ao mesmo tempo que acelera o transporte de água, tornando mais barato criar um suprimento limpo.

 

“Ele copia a natureza, mas o faz quebrando as regras que a natureza estabeleceu”, disse Manish Kumar, professor assistente do Departamento de Engenharia Civil, Arquitetura e Ambiental da Escola de Engenharia Cockrell. “Esses canais facilitam o transporte rápido de moléculas que você deseja, como a água, e bloqueiam aquelas que você não deseja, como o sal.”

 

Os canais artificiais de água da equipe de pesquisa podem desempenhar as mesmas funções que as aquaporinas, que são cruciais em um nível mais amplo para a dessalinização, purificação da água e outros processos de separação de moléculas. E o fazem enquanto transportam água 2,5 vezes mais rápido do que as aquaporinas.

 

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Os canais artificiais têm três nanômetros de largura por três nanômetros de comprimento. Se densamente compactados no tamanho correto da membrana, os canais podem passar cerca de 80 quilogramas de água por segundo por metro quadrado de membrana, enquanto rejeitam sais e prótons a taxas muito mais altas do que as atuais membranas de dessalinização comerciais são capazes.

 

“Esses canais artificiais em essência resolvem os desafios técnicos críticos de apenas permitir a passagem de moléculas de água, excluindo outros solutos como sal e prótons“, disse o professor Huaqiang Zeng, do Departamento de Química da Universidade de Hainan e do Instituto de Síntese Avançada da Universidade Politécnica do Noroeste, em China. “Sua extraordinária velocidade de transporte de água e o fato de que esses canais permitem a fabricação de membrana mais simples sugerem que eles se tornarão um componente crucial das membranas de próxima geração para a produção de água limpa para enfrentar a severa escassez que os seres humanos enfrentam neste século.”

 

Os canais à base de aquaporina são tão pequenos que permitem que apenas uma única molécula de água passe por vez, como uma estrada de faixa única. Uma característica estrutural única nesses novos canais é uma série de dobras nos canais que criam “pistas” adicionais, por assim dizer, permitindo que as moléculas de água sejam transportadas mais rapidamente.

 

“Você está indo de uma estrada secundária para uma rodovia em termos de velocidade de transporte de água, enquanto mantém outras coisas fora, colocando pequenos obstáculos na estrada”, disse Aleksei Aksimentiev, professor de física biológica da Universidade de Illinois em Urbana -Campanha que colaborou na pesquisa.

 

Kumar fez um curso ministrado por Aksimentiev sobre a física das nanomáquinas enquanto fazia seu doutorado em engenharia ambiental na Universidade de Illinois. O curso, disse ele, foi tão desafiador quanto parece, e ele ainda se refere às suas anotações da aula anos depois.

Eles trabalharam juntos em um papel quando Kumar era um estudante. E então, quando ele se tornou professor, Aksimentiev o ajudou com o trabalho de simulação em outro papel. Há anos, eles colaboram no estudo dos canais de transporte de água.

A equipe interdisciplinar conta com professores e pesquisadores de todo o mundo em física, engenharia química, farmacologia e muito mais. Os pesquisadores vêm da UT Austin, da Universidade de Illinois, da Harvard Medical School, da Hainan University e da Northwestern Polytechnical University na China e do NanoBio Lab em Cingapura.

Zeng é o autor correspondente no artigo. Kumar liderou a parte de teste do projeto e Aksimentiev liderou o trabalho de simulação.

No início deste ano, Kumar se juntou a pesquisadores da Penn State University em uma descoberta que lançou uma nova luz sobre como funcionam as membranas de dessalinização de água tradicionais. Eles descobriram que a uniformidade em toda a membrana acelera o transporte de água e melhora o processo de filtragem do sal.

Este novo trabalho, diz Kumar, leva esse conceito a outro nível. Esses canais podem ter apenas um tamanho para se encaixar nas moléculas de água desejadas, enquanto pressiona outras moléculas indesejadas.

No futuro, a equipe planeja usar esses canais de água artificiais para fabricar membranas de osmose reversa de próxima geração para converter água do mar em água potável.

 

FONTE: WATERWORLD