Ósmosis, el fenómeno fluido responsable de innumerables muertes de babosas a manos de niños traviesos, es fundamentalmente importante no solo para gran parte de la biología, sino también a la ingeniería y la industria. En pocas palabras, La ósmosis se refiere al flujo de líquido a través de una membrana impulsado por una diferencia de concentración (soluto), como el agua de las células de una babosa salada o absorbida por las raíces de las plantas.

La teoría actual que describe el comportamiento impulsado por la ósmosis hace las predicciones más precisas para concentraciones bajas, limitando su aplicabilidad a muchos usos del mundo real. A medida que crece el interés en la investigación y el desarrollo de procesos osmóticos dependientes, y se ensancha, también lo hace la necesidad de una comprensión teórica más granular de los mecanismos deterministas.

Una nueva investigación ahora proporciona esta comprensión profunda, apareciendo como un par de publicaciones esta semana en el Revista de física química , de AIP Publishing. El primer artículo deconstruye la mecánica molecular de la ósmosis con altas concentraciones, y generaliza los hallazgos para predecir el comportamiento de concentraciones arbitrarias. La segunda parte del estudio luego simula a través del modelado molecular dos formas clave de flujo osmótico de una manera ampliamente utilizable.

"El transporte osmótico impulsado por la diferencia de salinidad ocurre en muchos sistemas biológicos, y también se utiliza en diversas aplicaciones industriales, "dijo Hiroaki Yoshida de ENS en Francia, coautor de las publicaciones pareadas. "El reciente interés en sus aplicaciones a dispositivos de micro y nanofluidos, como para la desalinización, recolección de energía, y tecnología biomédica, Sólo para nombrar unos pocos, impulsa el crecimiento de este campo de investigación ".

El grupo decidió que dos publicaciones proporcionarían una descripción general más completa y útil de sus hallazgos y sus implicaciones.

"En este contexto, lo que nos inspiró a comenzar este trabajo fue el hecho de que, en situaciones tan diversas, uno se encuentra con la limitación de los marcos teóricos existentes para el estudio de los transportes osmóticos, ", Dijo Yoshida." Era urgente extender las teorías aplicables a situaciones más amplias, y al mismo tiempo, era necesario desarrollar un método computacional relevante para estudios numéricos. Dado que estos objetivos eran igualmente importantes, decidimos entregar los dos mensajes como una serie de artículos ".

Independientemente de la concentración, Hay dos componentes geométricos diferentes para el flujo osmótico que Yoshida y sus colegas, Sophie Marbach y Lydéric Bocquet, investigado:ósmosis desnuda y difusio-ósmosis. Típicamente, se consideran de forma independiente, pero el grupo adoptó un enfoque diferente y consideró valioso comprender cómo se relacionan entre sí.

"La ósmosis desnuda y el flujo difusio-osmótico son fenómenos geométricamente diferentes:la ósmosis es un transporte de líquido a través de una membrana, y la difusio-ósmosis es un flujo paralelo a la interfaz sólido-líquido, "Yoshida dijo." Por lo tanto, estos fenómenos suelen tratarse de forma independiente. Sin embargo, la fuerza impulsora de estos transportes es común, esa es la diferencia de concentración (o potencial químico), y por eso pensamos que es importante investigarlos juntos. En lo que queríamos insistir era en que estos dos transportes se analizaran en un marco común, empleando la barrera de energía y la expresión de presión osmótica general ".

Usando este marco común, Entonces podrían describir completamente los mecanismos impulsores detrás del transporte transmembrana con solo unos pocos "ingredientes" matemáticos. Este enfoque unificado se presta a una generalización más amplia.

"Derivamos rigurosamente expresiones analíticas que describen estos dos importantes fenómenos de transporte osmótico, "dijo Yoshida." Los puntos clave que nos llevaron a estas expresiones analíticas son, (i) modelos de barrera energética, que nos permiten describir la interacción entre las partículas de soluto y las membranas, con los ingredientes mínimos; (ii) el uso de una expresión termodinámica general unificada para la presión osmótica, en la descripción de la fuerza impulsora de estos transportes ".

Su rigor teórico luego se extendió a simulaciones de nivel molecular para verificar la teoría que informan primero, apoyado por observaciones de la dinámica de la solución real.

"En segundo lugar, realizamos simulaciones numéricas para verificar nuestros resultados teóricos, "Dijo Yoshida." Propusimos una metodología novedosa de dinámica molecular sin equilibrio (NEMD) para realizar la simulación de dinámica molecular para el flujo difusio-osmótico. Validamos el método tanto numérica como teóricamente, y lo aplicó a sistemas realistas con una mezcla de agua y etanol en contacto con una superficie de grafeno y sílice ".

Según Yoshida, esto condujo a la primera observación directa del campo de velocidad de flujo difusio-osmótico. Confirmaron que la expresión analítica basada en sus supuestos predijo la propiedad de transporte del flujo difusio-osmótico.

Aunque ya se ha completado tanto trabajo, sus hallazgos solo han proporcionado aún más trabajo por hacer, a menudo el resultado ideal de la investigación científica. Las amplias implicaciones del trabajo escalan sus beneficios potenciales a fenómenos osmóticos más complejos y aplicaciones sin explotar.

"Los presentes resultados teóricos aportarán el enfoque fundamental hacia la comprensión de varios resultados experimentales, estimar los efectos de la ósmosis y la difusio-ósmosis en el transporte de líquidos a través de membranas nanoporosas, "Dijo Yoshida." Además, El método NEMD propuesto es una herramienta muy poderosa para explorar varios fenómenos causados ​​por la concentración o gradiente de potencial químico. En particular, transporte difusioforético que involucra moléculas complejas, como polímeros y polielectrolitos (ADN), será explorado a continuación ".

Personalmente, Yoshida espera que el trabajo tenga un impacto positivo en la recolección de energía, una industria que tiene un enorme potencial de crecimiento con membranas innovadoras.

"Existe un interés cada vez mayor en las aplicaciones que utilizan diferencias de concentración o gradientes para extraer energía, ", dijo." Un ejemplo que muestra el potencial de la diferencia de concentración es el hecho de que cuando el agua dulce del río se mezcla con el agua del mar, se libera una energía equivalente a una cascada de 270 m de altura. El uso de membranas con nuevos materiales para la generación de energía es un tema de investigación muy activo ".