據(jù)近日發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的一篇論文，科學(xué)家探究了溶質(zhì)與膜表面親和力宏觀特征的相關(guān)性。這項(xiàng)研究采取的新計(jì)算方法將為應(yīng)用于可持續(xù)水處理的下一代膜系統(tǒng)作出貢獻(xiàn)。

解決水處理中膜技術(shù)的一個(gè)基本問題，是要了解溶質(zhì)和膜表面之間的親和力或吸引力如何影響水凈化過程。

研究發(fā)現(xiàn)，在小組測(cè)試的八種溶質(zhì)(包括氨、硼酸、異丙醇和甲烷等)中，親水的溶質(zhì)喜歡疏水表面，疏水的溶質(zhì)喜歡親水表面，盡管這些吸引力比其原本特點(diǎn)帶來的吸引力要弱。

研究小組開發(fā)了一種算法，通過重新排列膜表面化學(xué)基團(tuán)重繪表面圖案，以使給定溶質(zhì)與膜表面親和力最小化或最大化，或者使一種溶質(zhì)相對(duì)于另一種溶質(zhì)的表面親和力最大化。這種算法以一種類似于自然選擇的方式“進(jìn)化”表面圖案，將它們優(yōu)化到特定的功能。

通過模擬，研究小組發(fā)現(xiàn)，膜表面親和力與溶質(zhì)疏水性的傳統(tǒng)特性(如溶質(zhì)在水中的溶解度)相關(guān)性不大。相反，表面親和力與靠近膜表面或靠近溶質(zhì)的水分子結(jié)構(gòu)改變存在更強(qiáng)的聯(lián)系。

論文主要作者雅各布·門羅解釋說：“與主體水或遠(yuǎn)離膜表面的水相比，疏水表面附近的水結(jié)構(gòu)波動(dòng)增強(qiáng)了。波動(dòng)導(dǎo)致測(cè)試的每種小溶質(zhì)的黏性增加。”

這一發(fā)現(xiàn)意義重大，這表明研究人員在設(shè)計(jì)新的膜表面時(shí)，應(yīng)該把重點(diǎn)放在膜周圍水分子的反應(yīng)上，而不是受傳統(tǒng)的疏水性指標(biāo)所影響。

研究人員表示，由不同類型的分子通過化學(xué)反應(yīng)組成的膜表面，可能是實(shí)現(xiàn)其多個(gè)性能目標(biāo)的關(guān)鍵。僅通過重新排列空間圖案，就有可能顯著增加或降低給定溶質(zhì)的表面親和力，而不會(huì)改變存在于膜表面的基團(tuán)數(shù)量。

這項(xiàng)工作為控制溶質(zhì)與膜表面親和力的分子相互作用提供了詳細(xì)的解釋，解決了下一代膜設(shè)計(jì)路徑上的重大挑戰(zhàn)。此外，重構(gòu)表面圖案提供了一種強(qiáng)大的工程膜設(shè)計(jì)策略，可抵抗各種污染物，并可精確地控制每種溶質(zhì)的分離方式。因此，它為研發(fā)以節(jié)能方式凈化高污染水的下一代膜系統(tǒng)，提供了分子設(shè)計(jì)規(guī)則和目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 優(yōu)化凈水