Osmose, o fenômeno fluido responsável por inúmeras mortes por lesmas nas mãos de crianças travessas, é fundamentalmente importante não apenas para grande parte da biologia, mas também para a engenharia e a indústria. Simplificando, osmose se refere ao fluxo de fluido através de uma membrana conduzido por uma diferença de concentração (soluto) - como a água das células de uma lesma salgada ou absorvida pelas raízes das plantas.

A teoria atual que descreve o comportamento impulsionado pela osmose faz as previsões mais precisas para baixas concentrações, limitando sua aplicabilidade a muitos usos no mundo real. Conforme cresce o interesse em pesquisa e desenvolvimento de processos osmóticos dependentes, e amplia, o mesmo ocorre com a necessidade de uma compreensão teórica mais granular dos mecanismos determinísticos.

Novas pesquisas agora fornecem esse entendimento completo, aparecendo como um par de publicações esta semana no Journal of Chemical Physics , da AIP Publishing. O primeiro artigo desconstrói a mecânica molecular da osmose com altas concentrações, e generaliza os resultados para prever o comportamento para concentrações arbitrárias. A segunda parte do estudo simula por meio de modelagem molecular duas formas-chave de fluxo osmótico de uma forma amplamente utilizável.

"O transporte osmótico impulsionado pela diferença de salinidade ocorre em muitos sistemas biológicos, e também é usado em várias aplicações industriais, "disse Hiroaki Yoshida da ENS na França, co-autor das publicações emparelhadas. "O recente interesse em suas aplicações para dispositivos micro e nano-fluídicos, como para dessalinização, captação de energia, e tecnologia biomédica, só para citar alguns, impulsiona o crescimento deste campo de pesquisa. "

O grupo decidiu que duas publicações forneceriam uma visão geral mais completa e útil de suas descobertas e suas implicações.

"Nesse contexto, o que nos inspirou a iniciar este trabalho foi o fato de que, em situações tão diversas, encontra-se a limitação dos quadros teóricos existentes para estudar os transportes osmóticos, "Yoshida disse." Era urgente estender as teorias aplicáveis ​​a situações mais amplas, e ao mesmo tempo, era necessário desenvolver um método computacional relevante para estudos numéricos. Como essas metas eram igualmente importantes, decidimos entregar as duas mensagens como uma série de papéis. "

Independentemente da concentração, existem dois componentes geométricos diferentes para o fluxo osmótico que Yoshida e seus colegas, Sophie Marbach e Lydéric Bocquet, investigados:osmose nua e difusio-osmose. Tipicamente, eles são considerados de forma independente, mas o grupo adotou uma abordagem diferente e viu valor em entender como eles se relacionam.

"A osmose nua e o fluxo difusio-osmótico são fenômenos geometricamente diferentes:a osmose é um transporte de líquido através de uma membrana, e a difusio-osmose é um fluxo paralelo à interface sólido-líquido, "Yoshida disse." Portanto, esses fenômenos são geralmente tratados de forma independente. Contudo, a força motriz para esses transportes é comum, essa é a diferença de concentração (ou potencial químico), e, portanto, pensamos que é importante investigá-los juntos. O que queríamos insistir é que esses dois transportes deveriam ser analisados ​​em um quadro comum, empregando a barreira de energia e a expressão de pressão osmótica geral. "

Usando essa estrutura comum, eles poderiam então descrever completamente os mecanismos motrizes por trás do transporte transmembrana com apenas alguns "ingredientes" matemáticos. Essa abordagem unificada se presta a uma generalização mais ampla.

"Derivamos rigorosamente expressões analíticas que descrevem esses dois importantes fenômenos de transporte osmótico, "disse Yoshida." Os pontos-chave que nos levaram a essas expressões analíticas são, (i) modelos de barreira de energia, que nos permitem descrever a interação entre as partículas de soluto e as membranas, com os ingredientes mínimos; (ii) o uso de uma expressão termodinâmica geral unificada para a pressão osmótica, na descrição da força motriz para esses transportes. "

Seu rigor teórico então se estendeu para simulações de nível molecular para verificar a teoria que relatam primeiro, apoiado por observações da dinâmica da solução real.

"Em segundo lugar, realizamos simulações numéricas para verificar nossos resultados teóricos, "Yoshida disse." Nós propusemos uma nova metodologia de dinâmica molecular de não equilíbrio (NEMD) para realizar a simulação de dinâmica molecular para o fluxo difusio-osmótico. Nós validamos o método tanto numericamente quanto teoricamente, e aplicou-o a sistemas realistas com mistura de água-etanol em contato com um grafeno e uma superfície de sílica. "

De acordo com Yoshida, isso levou à primeira observação direta do campo de velocidade de fluxo difusio-osmótico. Eles confirmaram que a expressão analítica baseada em seus pressupostos previa a propriedade de transporte do fluxo difusio-osmótico.

Embora muito trabalho já esteja concluído, suas descobertas forneceram apenas mais trabalho a ser feito - muitas vezes o resultado ideal de investigação científica. As amplas implicações do trabalho escalam seus benefícios potenciais para fenômenos osmóticos mais complexos e aplicações inexploradas.

"Os presentes resultados teóricos apresentarão a abordagem fundamental para a compreensão de vários resultados experimentais, para estimar os efeitos da osmose e difusio-osmose no transporte de líquidos através das membranas nano-porosas, "Yoshida disse." Além disso, o método NEMD proposto é uma ferramenta muito poderosa para explorar vários fenômenos causados ​​pela concentração ou gradiente de potencial químico. Em particular, transporte difuso-forético envolvendo moléculas complexas, como polímeros e polieletrólitos (DNA), será explorado a seguir. "

Pessoalmente, Yoshida espera ver o trabalho ter um impacto positivo na captação de energia, uma indústria que tem grande potencial de crescimento com membranas inovadoras.

"Há um interesse crescente em aplicações que usam diferença de concentração ou gradientes para extrair energia, "disse ele." Um exemplo que mostra o potencial da diferença de concentração é o fato de que, quando a água doce do rio se mistura com a água do mar, uma energia igual a uma cachoeira de 270 m de altura é liberada. O uso de membranas com novos materiais para geração de energia é um tópico de pesquisa muito ativo. "