Las membranas con poros microscópicos son útiles para la filtración de agua. El efecto del tamaño de los poros en la filtración de agua es bien conocido, como es el papel de los iones, átomos cargados que interactúan con la membrana. Por primera vez, Los investigadores han descrito con éxito el impacto que tienen las moléculas de agua en otras moléculas de agua y en los iones como parte del mecanismo de filtración. Los investigadores detallan un sistema de retroalimentación entre moléculas de agua que abre nuevas posibilidades de diseño para membranas altamente selectivas. Las aplicaciones pueden incluir filtros de virus.

La química sintética es un campo de estudio relacionado con la creación y exploración de nuevas sustancias y materiales que no existen en la naturaleza. A veces, se requiere una propiedad o comportamiento específico de un material para una aplicación como la fabricación farmacéutica o de alta tecnología. La química sintética puede ayudar a encontrar, crear o perfeccionar materiales adecuados. Por ejemplo, las denominadas membranas de cristal líquido sintéticas podrían utilizarse para la filtración de agua.

Al filtrar agua u otros líquidos, el objetivo es separar los componentes químicos, como los iones, de su fluido objetivo. El uso de una membrana porosa puede ser el método principal para hacer esto. Es intuitivamente obvio que los agujeros en una superficie evitarán que pase algo más grande que el agujero. Pero las membranas avanzadas como las membranas de cristal líquido sintético pueden tener poros de apenas unos pocos nanómetros, mil millonésimas de metro, a través de. A estas escalas, la funcionalidad de la membrana es más que solo el tamaño de un poro.

"La química juega un papel importante en lo que sucede a estas pequeñas escalas, ", dijo el profesor Takashi Kato del Departamento de Química y Biotecnología de la Universidad de Tokio." En el caso de la filtración de agua, los poros están dimensionados para no dejar pasar nada más grande que el agua. Sin embargo, también existen fuerzas electrostáticas entre iones y poros. Si el material está diseñado correctamente, estas fuerzas sirven como una barrera adicional para los iones, incluso si son más pequeños que los poros. Esto está bastante bien entendido. Pero hay otra sustancia importante en juego que puede afectar la filtración del agua, y esa es en realidad la propia molécula de agua ".

El profesor Yoshihisa Harada del Instituto de Física del Estado Sólido de UTokyo y su equipo se propusieron describir completamente lo que se sospechaba desde hacía mucho tiempo, pero nunca antes se había explicado:cómo las moléculas de agua en el sitio de un poro interactúan con las moléculas de agua e iones circundantes. Esto es realmente muy significativo en esta escala diminuta, donde incluso las fuerzas sutiles pueden afectar el rendimiento general de la membrana de filtración. También es extremadamente difícil extraer este tipo de información de los sistemas físicos.

"En teoría, podríamos usar simulaciones por computadora para modelar con precisión cómo se comporta e interactúa el agua durante la filtración, pero tales simulaciones requerirían grandes cantidades de poder de supercomputación, "dijo Harada." Así que al menos inicialmente, recurrimos a un método físico para explorar estos mecanismos, llamada espectroscopia de emisión de rayos X suave de alta resolución basada en sincrotrón. Esto en sí mismo fue un desafío extremadamente complejo ".

Este proceso funciona tomando las emisiones de rayos X de un sincrotrón, un acelerador de partículas, y dirigirlos a la muestra bajo análisis. La muestra, en este caso la membrana y las moléculas de agua, altera algunas características del haz de rayos X, antes de que sea detectado y registrado por un sensor de alta resolución. Los cambios impuestos al haz de rayos X les dicen a los investigadores lo que estaba sucediendo dentro de la muestra con un alto grado de precisión.

"No es fácil, "dijo Harada." Debido a la delgadez de las membranas, las señales que esperábamos de las moléculas de agua objetivo en los poros son difíciles de diferenciar de las señales de fondo debido a la mayor parte de otras moléculas de agua. Así que tuvimos que restar las señales de nivel de fondo para hacer más visibles nuestras señales de destino. But now I am pleased that we can present the first-ever description of water acting as part of its host material. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

"Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, por ejemplo, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, también.

"What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.