新算法通过重绘膜表面图案优化净水

  据近日发表在《美国国家科学院院刊》的一篇论文,科学家探究了溶质与膜表面亲和力宏观特征的相关性。这项研究采取的新计算方法将为应用于可持续水处理的下一代膜系统作出贡献。

  解决水处理中膜技术的一个基本问题,是要了解溶质和膜表面之间的亲和力或吸引力如何影响水净化过程。

  研究发现,在小组测试的八种溶质(包括氨、硼酸、异丙醇和甲烷等)中,亲水的溶质喜欢疏水表面,疏水的溶质喜欢亲水表面,尽管这些吸引力比其原本特点带来的吸引力要弱。

  研究小组开发了一种算法,通过重新排列膜表面化学基团重绘表面图案,以使给定溶质与膜表面亲和力最小化或最大化,或者使一种溶质相对于另一种溶质的表面亲和力最大化。这种算法以一种类似于自然选择的方式“进化”表面图案,将它们优化到特定的功能。

  通过模拟,研究小组发现,膜表面亲和力与溶质疏水性的传统特性(如溶质在水中的溶解度)相关性不大。相反,表面亲和力与靠近膜表面或靠近溶质的水分子结构改变存在更强的联系。

  论文主要作者雅各布·门罗解释说:“与主体水或远离膜表面的水相比,疏水表面附近的水结构波动增强了。波动导致测试的每种小溶质的黏性增加。”

  这一发现意义重大,这表明研究人员在设计新的膜表面时,应该把重点放在膜周围水分子的反应上,而不是受传统的疏水性指标所影响。

  研究人员表示,由不同类型的分子通过化学反应组成的膜表面,可能是实现其多个性能目标的关键。仅通过重新排列空间图案,就有可能显著增加或降低给定溶质的表面亲和力,而不会改变存在于膜表面的基团数量。

  这项工作为控制溶质与膜表面亲和力的分子相互作用提供了详细的解释,解决了下一代膜设计路径上的重大挑战。此外,重构表面图案提供了一种强大的工程膜设计策略,可抵抗各种污染物,并可精确地控制每种溶质的分离方式。因此,它为研发以节能方式净化高污染水的下一代膜系统,提供了分子设计规则和目标。

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