Membranas com poros microsca³picos são aºteis para filtração de a¡gua. O efeito do tamanho dos poros na filtração da águabem conhecido, assim como o papel dos a­ons, a¡tomos carregados que interagem com a membrana. Pela primeira vez, os pesquisadores descreveram com sucesso o impacto das moléculas de águaem outras moléculas de águae em a­ons como parte do mecanismo de filtração. Os pesquisadores detalham um sistema de feedback entre as moléculas de águaque abre novas possibilidades de design para membranas altamente seletivas. Os aplicativos podem incluir filtros de va­rus.

A química sintanãtica éum campo de estudo relacionado a  criação e exploração de novas substâncias e materiais que não existem na natureza. a€s vezes, uma propriedade ou comportamento especa­fico de um material énecessa¡rio para uma aplicação como a de fabricação farmacaªutica ou de alta tecnologia. A química sintanãtica pode ajudar a encontrar, criar ou refinar materiais adequados. Por exemplo, as chamadas membranas de cristal la­quido sintanãtico podem ser usadas para filtrar água.

Ao filtrar águaou outros la­quidos, o objetivo éseparar componentes qua­micos, como a­ons, de seu fluido alvo. O uso de uma membrana porosa pode ser o manãtodo principal para fazer isso. a‰ intuitivamente a³bvio que os furos em umasuperfÍcie impedira£o que qualquer coisa maior do que o furo passe. Mas membranas avana§adas, como as de cristal la­quido sintanãtico, podem ter poros de apenas alguns nana´metros, bilionanãsimos de metro. Nessas escalas, a funcionalidade da membrana émais do que apenas o tamanho de um poro .

"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 Ta³quio. "No caso da filtragem de a¡gua, os poros são dimensionados para não permitir que nada maior do que a águapasse. No entanto, também existem forças eletrosta¡ticas entre os a­ons e os poros. Se o material for projetado corretamente, essas forças servem como uma barreira adicional atémesmo para os a­ons se eles forem menores do que os poros. Isso ébastante bem compreendido. Mas háinda outra substância importante em jogo que pode afetar a filtragem da água, que éa própria molanãcula de a¡gua. "

O professor Yoshihisa Harada do Instituto de Fa­sica do Estado Sa³lido da UTokyo e sua equipe se propuseram a descrever completamente o que hámuito se suspeitava, mas nunca foi explicado antes: como as moléculas de águano local de um poro interagem com as moléculas de águae a­ons circundantes . Na verdade, isso émuito significativo nessa escala minaºscula, onde atémesmo forças sutis podem afetar o desempenho geral da membrana de filtração. Tambanãm éextremamente difa­cil extrair esse tipo de informação dos sistemas fa­sicos .

 

"Em teoria, podera­amos usar simulações de computador para modelar com precisão como a águase comporta e interage durante a filtração, mas essas simulações exigiriam grande quantidade de poder de supercomputação", disse Harada. "Então, pelo menos inicialmente, nosnos voltamos para um manãtodo fa­sico para explorar esses mecanismos, chamado espectroscopia de emissão de raios X suave de alta resolução baseada em sa­ncrotron. Isso em si foi um desafio extremamente complexo."

Esse processo funciona pegando as emissaµes de raios X de um sa­ncrotron, um acelerador departículas, e direcionando-as para a amostra em análise. A amostra, no caso a membrana e as moléculas de a¡gua, altera algumas caracteri­sticas do feixe de raios X, antes de ser detectado e registrado por um sensor de alta resolução. Asmudanças impostas ao feixe de raios-X informam aos pesquisadores o que estava acontecendo na amostra com um alto grau de precisão.

"Nãoéfa¡cil", disse Harada. "Devido a  espessura das membranas, os sinais que espera¡vamos das moléculas de águaalvo nos poros são difa­ceis de diferenciar dos sinais de fundo devido ao volume de outras moléculas de a¡gua. Portanto, tivemos que subtrair os sinais denívelde fundo para fazer nosso alvo sinaliza mais visível. Mas agora estou satisfeito por podermos apresentar a primeira descrição da águaagindo como parte de seu material hospedeiro. Ao realizar esse tipo de ciência ba¡sica, esperamos que fornea§a ferramentas para outras pessoas desenvolverem. "

Os novos modelos da equipe descrevem como as interações das moléculas de águasão moduladas porpartículas carregadas nas proximidades. Nos poros da membrana , as moléculas de águamoduladas de certa forma se ligam preferencialmente a outras moléculas de águamoduladas no volume. Um sistema dina¢mico como este, em que uma mudança em alguma propriedade causa maismudanças na mesma propriedade, éconhecido como loop de feedback. Embora possam parecer matematicamente complicados, esses modelos podem ajudar os engenheiros a criar manãtodos de filtragem novos e eficazes.

"As membranas de cristal la­quido já tem poros de tamanhos perfeitos, enquanto os tipos anteriores de membranas eram mais variados", disse Kato. "Combinado com o nosso novo conhecimento, pretendemos criar membranas que são ainda mais seletivas sobre o que deixam passar do que qualquer coisa que veio antes. Elas poderiam fazer mais do que purificar a água; elas podem ser aºteis, por exemplo, na construção de la­tio. baterias de a­on, como eletra³litos que transportam a­ons de la­tio entre eletrodos e atémesmo como um filtro de va­rus. Como essas membranas são altamente seletivas, elas poderiam ser ajustadas para bloquear apenas coisas muito especa­ficas, o que significa que também poderiam ser usadas por longos períodos antes de se tornarem saturadas . "

Existem várias áreas que Harada, Kato e seus colegas desejam explorar mais. Esses experimentos fa­sicos iniciais informação os modelos de computador, portanto, as simulações de computador avana§adas são uma dessas áreas. Mas eles também desejam observar as membranas celulares que medeiam naturalmente a passagem de a­ons como pota¡ssio e sãodio - estuda¡-los também pode ajudar a melhorar as membranas artificiais.

"O que éempolgante aqui écomo a química, a física e a biologia se combinam para elucidar coisas aparentemente complexas", disse Harada.