Исследовательские группы из Francis Crick Institute, King's College London и Университета Фрибурга разработали полимерные водные каналы, способные эффективно извлекать соль из воды. Эта технология вдохновлена биологическими мембранами клеток: в природе за быстрое и избирательное перемещение воды через мембраны отвечают белки аквапорины, не пропускающие соли. Они играют ключевую роль в поддержании водного баланса в организме и участвуют в образовании мочи в почках, концентрируя или разбавляя её.
Новое решение было опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition как результат международного сотрудничества. Искусственные каналы могут применяться для опреснения — удаления солей и минералов из морской воды для получения питьевой. Современные методы опреснения, такие как выпаривание и конденсация, широко используются в регионах с низким количеством осадков, например, на Ближнем Востоке, но требуют больших энергетических затрат и являются дорогостоящими. Необходимы более дешёвые и энергоэффективные способы.
Разработанные каналы созданы из длинных молекул пластика, организованных либо в спиральные структуры (полимеры), либо в циклические макроциклы. Внутренняя поверхность пор заполнена смесью фтора и углеводородов, что формирует своеобразный «жирный» слой, напоминающий естественные условия мембраны клетки.
Для проверки эффективности искусственные каналы внедряли в везикулы — водные пузырьки, окружённые жирной оболочкой, подобной клеточной мембране. Эти везикулы помещали в сахарный раствор. Вода обычно проникает через мембрану медленно за счёт осмоса, но с каналами скорость и объём переноса воды значительно увеличились. Эффективность зависела от длины полимера: самые продуктивные каналы совпадали по длине с толщиной оболочки везикулы, и их производительность почти сравнялась с природными аквапоринами.
Дальнейшие тесты показали, что при помещении в солёный раствор наиболее эффективные полимеры не пропускали соли в везикулу, подтверждая избирательность каналов.
Глава лаборатории искусственных молекулярных машин в Crick и старший преподаватель химии в King's College London Чарли МакТернан отмечает: «Системы природы, такие как аквапорины, чрезвычайно трудно воссоздать искусственно. Однако наши каналы достигли эффективности, близкой к естественным, эффективно транспортируют воду и удаляют соли». Учёный подчёркивает, что такие технологии особенно важны в условиях глобального потепления и возможного дефицита питьевой воды. По его словам, масштабирование для промышленного применения возможно, но остаются задачи по повышению стабильности мембран и изучению взаимодействия каналов с другими компонентами морской воды.
Постдоктор Явид Ахмад Малла из лаборатории искусственных молекулярных машин Crick рассказывает, что проект возник после случайной встречи команд Crick и Университета Фрибурга на научной конференции. Совместная работа объединила экспертизу обеих групп. Сейчас исследователи сосредоточены на повышении эффективности каналов и ставят цель превзойти показатели природных аквапоринов.
Для дальнейшего внедрения необходимо разработать более устойчивые мембраны и тщательно изучить, как новые каналы будут взаимодействовать с разнообразными веществами, присутствующими в морской воде. В случае успеха искусственные аквапорины могут стать основой для создания дешёвых и эффективных фильтров для получения пресной воды из морской, что особенно актуально для регионов с дефицитом водных ресурсов.
Новое решение было опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition как результат международного сотрудничества. Искусственные каналы могут применяться для опреснения — удаления солей и минералов из морской воды для получения питьевой. Современные методы опреснения, такие как выпаривание и конденсация, широко используются в регионах с низким количеством осадков, например, на Ближнем Востоке, но требуют больших энергетических затрат и являются дорогостоящими. Необходимы более дешёвые и энергоэффективные способы.
Разработанные каналы созданы из длинных молекул пластика, организованных либо в спиральные структуры (полимеры), либо в циклические макроциклы. Внутренняя поверхность пор заполнена смесью фтора и углеводородов, что формирует своеобразный «жирный» слой, напоминающий естественные условия мембраны клетки.
Для проверки эффективности искусственные каналы внедряли в везикулы — водные пузырьки, окружённые жирной оболочкой, подобной клеточной мембране. Эти везикулы помещали в сахарный раствор. Вода обычно проникает через мембрану медленно за счёт осмоса, но с каналами скорость и объём переноса воды значительно увеличились. Эффективность зависела от длины полимера: самые продуктивные каналы совпадали по длине с толщиной оболочки везикулы, и их производительность почти сравнялась с природными аквапоринами.
Дальнейшие тесты показали, что при помещении в солёный раствор наиболее эффективные полимеры не пропускали соли в везикулу, подтверждая избирательность каналов.
Глава лаборатории искусственных молекулярных машин в Crick и старший преподаватель химии в King's College London Чарли МакТернан отмечает: «Системы природы, такие как аквапорины, чрезвычайно трудно воссоздать искусственно. Однако наши каналы достигли эффективности, близкой к естественным, эффективно транспортируют воду и удаляют соли». Учёный подчёркивает, что такие технологии особенно важны в условиях глобального потепления и возможного дефицита питьевой воды. По его словам, масштабирование для промышленного применения возможно, но остаются задачи по повышению стабильности мембран и изучению взаимодействия каналов с другими компонентами морской воды.
Постдоктор Явид Ахмад Малла из лаборатории искусственных молекулярных машин Crick рассказывает, что проект возник после случайной встречи команд Crick и Университета Фрибурга на научной конференции. Совместная работа объединила экспертизу обеих групп. Сейчас исследователи сосредоточены на повышении эффективности каналов и ставят цель превзойти показатели природных аквапоринов.
Для дальнейшего внедрения необходимо разработать более устойчивые мембраны и тщательно изучить, как новые каналы будут взаимодействовать с разнообразными веществами, присутствующими в морской воде. В случае успеха искусственные аквапорины могут стать основой для создания дешёвых и эффективных фильтров для получения пресной воды из морской, что особенно актуально для регионов с дефицитом водных ресурсов.
