p Membranas com poros microscópicos são úteis para filtração de água. O efeito do tamanho do poro na filtração de água é bem compreendido, como é o papel dos íons, átomos carregados que interagem com a membrana. Pela primeira vez, os pesquisadores descreveram com sucesso o impacto que as moléculas de água têm sobre outras moléculas de água e íons como parte do mecanismo de filtração. Os pesquisadores detalham um sistema de feedback entre as moléculas de água que abre novas possibilidades de design para membranas altamente seletivas. Os aplicativos podem incluir filtros de vírus. p A química sintética é um campo de estudo relacionado à criação e exploração de novas substâncias e materiais que não existem na natureza. Às vezes, uma propriedade ou comportamento específico de um material é necessário para uma aplicação, como a de fabricação farmacêutica ou de alta tecnologia. A química sintética pode ajudar a encontrar, criar ou refinar materiais adequados. Por exemplo, as chamadas membranas de cristal líquido sintético podem ser usadas para filtrar água.

p Ao filtrar água ou outros líquidos, o objetivo é separar componentes químicos, como íons, do seu fluido alvo. O uso de uma membrana porosa pode ser o método principal para fazer isso. É intuitivamente óbvio que os furos em uma superfície impedirão que qualquer coisa maior do que o furo passe. Mas as membranas avançadas, como as membranas de cristal líquido sintético, podem ter poros de apenas alguns nanômetros, bilionésimos de metro, entre. Nessas escalas, há mais na funcionalidade da membrana do que apenas o tamanho de um poro.

p "A química desempenha um grande papel no que acontece nessas escalas pequenas, "disse o professor Takashi Kato do Departamento de Química e Biotecnologia da Universidade de Tóquio." No caso da filtração de água, os poros são dimensionados para não deixar passar nada maior do que água. Contudo, também existem forças eletrostáticas entre íons e poros. Se o material for projetado corretamente, essas forças servem como uma barreira adicional aos íons, mesmo se eles forem menores do que os poros. Isso é bastante bem compreendido. Mas há ainda outra substância importante em jogo que pode afetar a filtragem de água, e essa é realmente a própria molécula de água. "

p O professor Yoshihisa Harada do Instituto de Física do Estado Sólido da UTokyo e sua equipe se propuseram a descrever completamente o que há muito se suspeitava, mas nunca foi explicado antes:como as moléculas de água no local de um poro interagem com as moléculas de água e íons circundantes. Na verdade, isso é muito significativo nessa escala de minutos, onde até mesmo forças sutis podem afetar o desempenho geral da membrana de filtração. Também é extremamente difícil extrair esse tipo de informação dos sistemas físicos.

p "Em teoria, poderíamos usar simulações de computador para modelar com precisão como a água se comporta e interage durante a filtração, mas tais simulações exigiriam grandes quantidades de poder de supercomputação, "disse Harada." Então, pelo menos inicialmente, recorremos a um método físico para explorar esses mecanismos, denominada espectroscopia de emissão de raios-X suave de alta resolução baseada em síncrotron. Este foi um desafio extremamente complexo. "

p Este processo funciona tomando as emissões de raios-X de um síncrotron, um acelerador de partículas, e encaminhá-los para a amostra em análise. A amostra, neste caso, a membrana e as moléculas de água, altera algumas características do feixe de raios-X, antes de ser detectado e registrado por um sensor de alta resolução. As mudanças impostas ao feixe de raios-X dizem aos pesquisadores o que estava acontecendo na amostra com um alto grau de precisão.

p "Não é fácil, "disse Harada." Devido à finura das membranas, the signals we expected from the target water molecules in the pores are hard to differentiate from the background signals due to the bulk of other water molecules. So we had to subtract the background-level signals to make our target signals more visible. But now I am pleased that we can present the first-ever description of water acting as part of its host material. By performing this kind of basic science, we hope it provides tools for others to build on."

p The team's new models describe how water molecules' interactions are modulated by charged particles in close proximity. In membrane pores, water molecules modulated in a certain way preferentially bond with other modulated water molecules in the volume. A dynamic system like this, where a change in some property causes further change in that same property, is known as a feedback loop. Although they can seem mathematically complicated, these models can help engineers create new and effective filtration methods.

p "Liquid crystal membranes already have perfectly sized pores, whereas previous kinds of membranes were more varied, " said Kato. "Combined with our new knowledge, we aim to create membranes that are even more selective about what they let through than anything that has come before. These could do more than purify water; they might be useful in, for example, construction of lithium-ion batteries, as electrolytes that transport lithium ions between electrodes, and even as a virus filter. As these membranes are so highly selective, they could be tuned to only block very specific things, meaning they could also be used for long periods before becoming saturated."

p There are several areas Harada, Kato and their colleagues wish to explore further. These initial physical experiments will inform computer models, so advanced computer simulations are one such area. But they also wish to look at cell membranes which naturally mediate the passage of ions such as potassium and sodium—studying these could help improve artificial membranes, também.

p "What is exciting here is how chemistry, physics and biology combine to elucidate such seemingly complex things, " said Harada.