El agua es quizás el recurso natural más crítico de la Tierra. Dada la creciente demanda y los recursos hídricos cada vez más extendidos, los científicos están buscando formas más innovadoras de usar y reutilizar el agua existente, así como diseñar nuevos materiales para mejorar los métodos de depuración de agua. Las membranas poliméricas semipermeables creadas sintéticamente que se utilizan para la eliminación de solutos contaminantes pueden proporcionar un nivel de tratamiento avanzado y mejorar la eficiencia energética del tratamiento del agua; sin embargo, Las brechas de conocimiento existentes están limitando los avances transformadores en la tecnología de membranas. Un problema básico es aprender cómo la afinidad, o la atracción, entre los solutos y las superficies de las membranas impacta en muchos aspectos del proceso de purificación del agua.

"El ensuciamiento, donde los solutos se adhieren y ensucian las membranas, reduce significativamente el rendimiento y es un obstáculo importante en el diseño de membranas para tratar el agua producida, "dijo M. Scott Shell, profesor de ingeniería química en UC Santa Barbara, que realiza simulaciones computacionales de materiales blandos y biomateriales. "Si podemos entender fundamentalmente cómo la adherencia del soluto se ve afectada por la composición química de las superficies de las membranas, incluyendo posibles patrones de grupos funcionales en estas superficies, luego podremos comenzar a diseñar la próxima generación, membranas resistentes a las incrustaciones para repeler una amplia gama de tipos de solutos ".

Ahora, en un artículo publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS), Shell y el autor principal Jacob Monroe, un doctorado reciente. graduado del departamento y ex miembro del grupo de investigación de Shell, explicar la relevancia de las caracterizaciones macroscópicas de afinidad soluto-superficie.

"Las interacciones entre el soluto y la superficie del agua determinan el comportamiento de una amplia gama de fenómenos físicos y tecnologías, pero son particularmente importantes en la separación y purificación de agua, donde a menudo es necesario eliminar o capturar muchos tipos distintos de solutos, "dijo Monroe, ahora investigador postdoctoral en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). "Este trabajo aborda el gran desafío de comprender cómo diseñar membranas de próxima generación que puedan manejar enormes volúmenes anuales de fuentes de agua altamente contaminadas, como los que se producen en las operaciones de los yacimientos petrolíferos, donde la concentración de solutos es alta y sus químicas bastante diversas ".

Los solutos se caracterizan con frecuencia por abarcar un rango desde hidrófilos, que se puede pensar que le gusta el agua y se disuelve fácilmente en agua, a hidrofóbico, o le gusta el agua y prefiere separarse del agua, como el aceite. Las superficies abarcan el mismo rango; por ejemplo, el agua se forma gotas en las superficies hidrófobas y se esparce sobre las superficies hidrófilas. A los solutos hidrofílicos les gusta adherirse a superficies hidrofílicas, y los solutos hidrofóbicos se adhieren a superficies hidrofóbicas. Aquí, los investigadores corroboraron la expectativa de que "lo similar se adhiere a lo similar, "pero también descubrió, asombrosamente, que el cuadro completo es más complejo.

"Entre la amplia gama de productos químicos que consideramos, Descubrimos que a los solutos hidrofílicos también les gustan las superficies hidrofóbicas, y que a los solutos hidrofóbicos también les gustan las superficies hidrofílicas, aunque estas atracciones son más débiles que las de gustar, "explicó Monroe, haciendo referencia a los ocho solutos que probó el grupo, que van desde el amoniaco y el ácido bórico, a isopropanol y metano. El grupo seleccionó solutos de moléculas pequeñas que se encuentran típicamente en las aguas producidas para proporcionar una perspectiva fundamental sobre la afinidad de la superficie del soluto.

El grupo de investigación computacional desarrolló un algoritmo para rediseñar superficies reorganizando grupos químicos de la superficie con el fin de minimizar o maximizar la afinidad de un soluto dado a la superficie. o alternativamente, para maximizar la afinidad superficial de un soluto en relación con la de otro. El enfoque se basó en un algoritmo genético que "evolucionó" los patrones de superficie de una manera similar a la selección natural, optimizándolos hacia un objetivo de función particular.

A través de simulaciones, el equipo descubrió que la afinidad superficial estaba mal correlacionada con los métodos convencionales de hidrofobicidad de solutos, por ejemplo, qué tan soluble es un soluto en agua. En lugar de, encontraron una conexión más fuerte entre la afinidad superficial y la forma en que las moléculas de agua cerca de una superficie o cerca de un soluto cambian sus estructuras en respuesta. En algunos casos, estas aguas vecinas se vieron obligadas a adoptar estructuras desfavorables; acercándose a superficies hidrofóbicas, los solutos podrían reducir el número de moléculas de agua desfavorables, proporcionando una fuerza impulsora general para la afinidad.

"El ingrediente que faltaba era comprender cómo se estructuran y se mueven las moléculas de agua cercanas a una superficie, "dijo Monroe." En particular, las fluctuaciones estructurales del agua se mejoran cerca de superficies hidrofóbicas, en comparación con el agua a granel, o el agua lejos de la superficie. Descubrimos que las fluctuaciones impulsaban la adherencia de cada pequeño tipo de soluto que probamos. "

El hallazgo es significativo porque muestra que al diseñar nuevas superficies, Los investigadores deben centrarse en la respuesta de las moléculas de agua que los rodean y evitar guiarse por métricas convencionales de hidrofobicidad.

Según sus hallazgos, Monroe y Shell dicen que las superficies compuestas por diferentes tipos de químicas moleculares pueden ser la clave para lograr múltiples objetivos de rendimiento. como evitar que una variedad de solutos ensucie una membrana.

"Las superficies con múltiples tipos de grupos químicos ofrecen un gran potencial. Demostramos que no solo la presencia de diferentes grupos de superficies, pero su arreglo o patrón, influir en la afinidad de la superficie del soluto, ", Dijo Monroe." Con solo reorganizar el patrón espacial, es posible aumentar o disminuir significativamente la afinidad superficial de un soluto dado, sin cambiar cuántos grupos de superficie están presentes ".

Según el equipo, Sus hallazgos muestran que los métodos computacionales pueden contribuir de manera significativa a los sistemas de membranas de próxima generación para el tratamiento sostenible del agua.

"Este trabajo proporcionó información detallada sobre las interacciones a escala molecular que controlan la afinidad soluto-superficie, "dijo Shell, la Cátedra de Fundador John E. Myers en Ingeniería Química. "Es más, muestra que el modelado de superficies ofrece una poderosa estrategia de diseño en membranas de ingeniería que son resistentes al ensuciamiento por una variedad de contaminantes y que pueden controlar con precisión cómo se separa cada tipo de soluto. Como resultado, ofrece reglas y objetivos de diseño molecular para sistemas de membranas de próxima generación capaces de purificar aguas altamente contaminadas de una manera energéticamente eficiente ".

La mayoría de las superficies examinadas eran sistemas modelo, simplificado para facilitar el análisis y la comprensión. Los investigadores dicen que el siguiente paso natural será examinar superficies cada vez más complejas y realistas que imiten más de cerca las membranas reales utilizadas en el tratamiento del agua. Otro paso importante para acercar el modelado al diseño de membranas será ir más allá de la mera comprensión de cuán pegajosa es una membrana para un soluto y hacia el cálculo de las velocidades a las que los solutos se mueven a través de las membranas.