Para muchos ingenieros y científicos, la naturaleza es la musa más grande del mundo. Buscan comprender mejor los procesos naturales que han evolucionado durante millones de años, imitarlos de manera que puedan beneficiar a la sociedad y, a veces, incluso mejorarlos.

Un internacional, Un equipo interdisciplinario de investigadores que incluye ingenieros de la Universidad de Austin ha encontrado una manera de replicar un proceso natural que mueve el agua entre las células. con el objetivo de mejorar la forma en que filtramos la sal y otros elementos y moléculas para crear agua limpia y consumir menos energía.

En un nuevo artículo publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza, Los investigadores crearon un canal de transporte de agua del tamaño de una molécula que puede transportar agua entre las células y excluir los protones y las moléculas no deseadas. Estos canales imitan las funciones de transporte de agua de las proteínas de nuestro cuerpo conocidas como acuaporinas. En nuestras celdas El transporte incontrolado de protones junto con el agua puede ser dañino porque pueden cambiar el pH de las células. potencialmente interrumpirlos o matarlos.

Esta es la primera instancia de un canal artificial del tamaño de un nanómetro que realmente puede emular las características clave de transporte de agua de estos canales de agua biológicos. Y podría mejorar la capacidad de las membranas para filtrar de manera eficiente moléculas y elementos no deseados, mientras se acelera el transporte de agua, lo que hace que sea más barato crear un suministro limpio.

"Copia la naturaleza, pero lo hace rompiendo las reglas que la naturaleza ha establecido, "dijo Manish Kumar, profesor asistente en el Departamento de Civil de la Escuela de Ingeniería Cockrell, Ingeniería Arquitectónica y Ambiental. "Estos canales facilitan el transporte rápido de las moléculas que desea, como el agua, y bloquea a los que no quieres, como la sal ".

Los canales de agua artificiales del equipo de investigación pueden realizar las mismas funciones que las acuaporinas, que son cruciales a un nivel más amplio para la desalación, purificación de agua y otros procesos de separación de moléculas. Y lo hacen mientras transportan agua 2,5 veces más rápido en comparación con las acuaporinas.

Los canales artificiales tienen tres nanómetros de ancho por tres nanómetros de largo. Si se empaqueta densamente en la membrana del tamaño correcto, los canales pueden pasar aproximadamente 80 kilogramos de agua por segundo por metro cuadrado de membrana, mientras que rechazan las sales y los protones a velocidades mucho más altas de lo que son capaces las membranas de desalinización comerciales actuales.

"En esencia, estos canales artificiales resuelven los desafíos técnicos críticos de permitir que solo pasen las moléculas de agua mientras se excluyen otros solutos como la sal y los protones, "dijo el profesor Huaqiang Zeng del Departamento de Química de la Universidad de Hainan y el Instituto de Síntesis Avanzada de la Universidad Politécnica del Noroeste en China." Su extraordinaria velocidad de transporte de agua y el hecho de que estos canales permiten una fabricación de membranas más simple sugieren que se convertirán en un componente crucial de membranas de próxima generación para producir agua limpia para abordar la grave escasez que enfrentan los seres humanos en este siglo ".

Los canales basados ​​en acuaporinas son tan pequeños que solo permiten el paso de una sola molécula de agua a la vez, como una carretera de un solo carril. Una característica estructural única en estos nuevos canales es una serie de pliegues en los canales que crean "carriles, " por así decirlo, permitiendo que las moléculas de agua se transporten más rápido.

"Vas de un camino rural a una autopista en términos de velocidad de transporte por agua, sin dejar de lado otras cosas poniendo pequeños baches en el camino, "dijo Aleksei Aksimentiev, profesor de física biológica en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que colaboró ​​en la investigación.

Kumar tomó una clase impartida por Aksimentiev sobre la física de las nanomáquinas mientras estudiaba para su doctorado. en ingeniería ambiental en la Universidad de Illinois. El curso, él dijo, fue tan desafiante como parece, y todavía se remite a sus notas de la clase años después.

Trabajaron juntos en un artículo cuando Kumar era estudiante. Y luego, cuando se convirtió en profesor, Aksimentiev lo ayudó con el trabajo de simulación en otro papel. Por años ahora, han estado colaborando en el estudio de los canales de transporte por agua.

El equipo interdisciplinario cuenta con profesores e investigadores de todo el mundo en física, Ingeniería Química, farmacología y más. Los investigadores provienen de UT Austin, Universidad de Illinois, Escuela Médica de Harvard, Hainan University y Northwestern Polytechnical University en China y NanoBio Lab en Singapur.

Zeng es el autor correspondiente del artículo. Kumar dirigió la parte de prueba del proyecto y Aksimentiev dirigió el trabajo de simulación.

A principios de este año, Kumar se asoció con investigadores de la Penn State University en un descubrimiento que arrojó nueva luz sobre cómo funcionan las membranas tradicionales de desalinización de agua. Descubrieron que la uniformidad en toda la membrana acelera el transporte de agua y mejora el proceso de filtración de la sal.

Este nuevo trabajo Kumar dice:lleva ese concepto a otro nivel. Estos canales solo pueden tener un tamaño para que quepan las moléculas de agua deseadas mientras exprimen otras moléculas no deseadas.

Avanzando, el equipo planea utilizar estos canales de agua artificiales para fabricar membranas de ósmosis inversa de próxima generación para convertir el agua de mar en agua potable.