p A água é talvez o recurso natural mais crítico da Terra. Dada a demanda crescente e os recursos hídricos cada vez mais escassos, os cientistas estão buscando maneiras mais inovadoras de usar e reutilizar a água existente, bem como para projetar novos materiais para melhorar os métodos de purificação de água. Membranas de polímero semipermeáveis ​​criadas sinteticamente usadas para remoção de soluto contaminante podem fornecer um nível de tratamento avançado e melhorar a eficiência energética do tratamento de água; Contudo, as lacunas de conhecimento existentes estão limitando os avanços transformadores na tecnologia de membrana. Um problema básico é aprender como a afinidade, ou a atração, entre os solutos e as superfícies da membrana afetam muitos aspectos do processo de purificação da água. p "A incrustação - onde os solutos grudam nas membranas - reduz significativamente o desempenho e é um grande obstáculo no projeto de membranas para tratar a água produzida, "disse M. Scott Shell, um professor de engenharia química na UC Santa Barbara, que realiza simulações computacionais de materiais moles e biomateriais. "Se pudermos compreender fundamentalmente como a viscosidade do soluto é afetada pela composição química das superfícies da membrana, incluindo possível padronização de grupos funcionais nessas superfícies, então podemos começar a projetar a próxima geração, membranas resistentes a incrustações para repelir uma ampla gama de tipos de soluto. "

p Agora, em um artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Shell e o autor principal Jacob Monroe, um recente Ph.D. graduado do departamento e ex-membro do grupo de pesquisa da Shell, explicar a relevância das caracterizações macroscópicas da afinidade do soluto para a superfície.

p "As interações soluto-superfície na água determinam o comportamento de uma grande variedade de fenômenos físicos e tecnologias, mas são particularmente importantes na separação e purificação da água, onde muitas vezes muitos tipos distintos de solutos precisam ser removidos ou capturados, "disse Monroe, agora é pesquisador de pós-doutorado no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). "Este trabalho aborda o grande desafio de entender como projetar membranas de próxima geração que podem lidar com enormes volumes anuais de fontes de água altamente contaminadas, como aqueles produzidos em operações de campos petrolíferos, onde a concentração de solutos é alta e suas químicas bastante diversas. "

p Os solutos são frequentemente caracterizados como abrangendo uma gama de hidrofílicos, que pode ser pensado como semelhante à água e se dissolvendo facilmente na água, para hidrofóbico, ou não gosta de água e prefere se separar da água, como óleo. As superfícies abrangem o mesmo intervalo; por exemplo, a água acumula-se nas superfícies hidrofóbicas e espalha-se nas superfícies hidrofílicas. Os solutos hidrofílicos gostam de aderir a superfícies hidrofílicas, e os solutos hidrofóbicos aderem às superfícies hidrofóbicas. Aqui, os pesquisadores corroboraram a expectativa de que "semelhante continua a ser semelhante, "mas também descoberto, surpreendentemente, que o quadro completo é mais complexo.

p "Entre a ampla gama de produtos químicos que consideramos, descobrimos que solutos hidrofílicos também como superfícies hidrofóbicas, e que os solutos hidrofóbicos também como superfícies hidrofílicas, embora essas atrações sejam mais fracas do que as de gostar de gostar, "explicou Monroe, referenciando os oito solutos que o grupo testou, variando de amônia e ácido bórico, a isopropanol e metano. O grupo selecionou solutos de pequenas moléculas normalmente encontrados em águas produzidas para fornecer uma perspectiva fundamental sobre a afinidade da superfície do soluto.

p O grupo de pesquisa computacional desenvolveu um algoritmo para repadronizar superfícies reorganizando grupos químicos de superfície a fim de minimizar ou maximizar a afinidade de um determinado soluto para a superfície, ou alternativamente, para maximizar a afinidade de superfície de um soluto em relação a outro. A abordagem baseou-se em um algoritmo genético que "desenvolveu" padrões de superfície de maneira semelhante à seleção natural, otimizando-os em direção a uma meta de função específica.

p Por meio de simulações, a equipe descobriu que a afinidade de superfície estava mal correlacionada aos métodos convencionais de hidrofobia de soluto, como o quão solúvel é um soluto em água. Em vez de, eles encontraram uma conexão mais forte entre a afinidade de superfície e a maneira como as moléculas de água perto de uma superfície ou perto de um soluto mudam suas estruturas em resposta. Em alguns casos, essas águas vizinhas foram forçadas a adotar estruturas desfavoráveis; aproximando-se de superfícies hidrofóbicas, solutos poderiam, então, reduzir o número de tais moléculas de água desfavoráveis, fornecendo uma força motriz geral para afinidade.

p "O ingrediente que faltava era entender como as moléculas de água perto de uma superfície são estruturadas e se movem em torno dela, "disse Monroe." Em particular, flutuações estruturais da água são aumentadas perto de superfícies hidrofóbicas, em comparação com a água em massa, ou a água longe da superfície. Descobrimos que as flutuações impulsionam a viscosidade de todos os pequenos tipos de soluto que testamos. "

p A descoberta é significativa porque mostra que, ao projetar novas superfícies, os pesquisadores devem se concentrar na resposta das moléculas de água ao seu redor e evitar serem guiados por métricas convencionais de hidrofobicidade.

p Com base em suas descobertas, Monroe e Shell dizem que as superfícies compostas por diferentes tipos de químicas moleculares podem ser a chave para atingir vários objetivos de desempenho, tal como impedir que uma variedade de solutos obstrua uma membrana.

p “Superfícies com múltiplos tipos de grupos químicos oferecem um grande potencial. Mostramos que não só a presença de diferentes grupos de superfícies, mas seu arranjo ou padrão, influenciam a afinidade da superfície do soluto, "Monroe disse." Só por reorganizar o padrão espacial, torna-se possível aumentar ou diminuir significativamente a afinidade de superfície de um determinado soluto, sem alterar quantos grupos de superfície estão presentes. "

p De acordo com a equipe, seus resultados mostram que os métodos computacionais podem contribuir de forma significativa para os sistemas de membrana de próxima geração para o tratamento sustentável da água.

p "Este trabalho forneceu uma visão detalhada das interações em escala molecular que controlam a afinidade de superfície do soluto, "disse Shell, a cadeira do fundador de John E. Myers em Engenharia Química. "Além disso, mostra que a padronização de superfície oferece uma estratégia de design poderosa em membranas de engenharia são resistentes a incrustação por uma variedade de contaminantes e que podem controlar com precisão como cada tipo de soluto é separado. Como resultado, ele oferece regras de design molecular e metas para sistemas de membrana de próxima geração, capazes de purificar águas altamente contaminadas de maneira eficiente em termos de energia. "

p A maioria das superfícies examinadas eram sistemas modelo, simplificado para facilitar a análise e compreensão. Os pesquisadores dizem que o próximo passo natural será examinar superfícies cada vez mais complexas e realistas que imitam mais de perto as membranas reais usadas no tratamento de água. Outro passo importante para aproximar a modelagem do projeto da membrana será ir além da compreensão meramente de quão pegajosa uma membrana é para um soluto e para calcular as taxas nas quais os solutos se movem através das membranas.