新算法通過(guò)重繪膜表面圖案優(yōu)化凈水

        科技日報北京3月16日電 （實(shí)習記者張佳欣）據近日發(fā)表在《美國國家科學(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(guān)特征的相關(guān)性。這項研究采取的新計算方法將為應用于可持續水處理的下一代膜系統作出貢獻。

        解決水處理中膜技術(shù)的一個(gè)基本問(wèn)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(guò)程。

        研究發(fā)現，在小組測試的八種溶質(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(lái)的吸引力要弱。

        研究小組開(kāi)發(fā)了一種算法，通過(guò)重新排列膜表面化學(xué)基團重繪表面圖案，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)相對于另一種溶質(zhì)的表面親和力最大化。這種算法以一種類(lèi)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(guò)模擬，研究小組發(fā)現，膜表面親和力與溶質(zhì)疏水性的傳統特性（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)的水分子結構改變存在更強的聯(lián)系。

        論文主要作者雅各布·門(mén)羅解釋說(shuō)：“與主體水或遠離膜表面的水相比，疏水表面附近的水結構波動(dòng)增強了。波動(dòng)導致測試的每種小溶質(zhì)的黏性增加。”

        這一發(fā)現意義重大，這表明研究人員在設計新的膜表面時(shí)，應該把重點(diǎn)放在膜周?chē)肿拥姆磻希皇鞘軅鹘y的疏水性指標所影響。

        研究人員表示，由不同類(lèi)型的分子通過(guò)化學(xué)反應組成的膜表面，可能是實(shí)現其多個(gè)性能目標的關(guān)鍵。僅通過(guò)重新排列空間圖案，就有可能顯著(zhù)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數量。

        這項工作為控制溶質(zhì)與膜表面親和力的分子相互作用提供了詳細的解釋?zhuān)鉀Q了下一代膜設計路徑上的重大挑戰。此外，重構表面圖案提供了一種強大的工程膜設計策略，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)以節能方式凈化高污染水的下一代膜系統，提供了分子設計規則和目標。