A águaétalvez o recurso natural mais crítico da Terra. Dada a demanda crescente e os recursos ha­dricos cada vez mais limitados, os cientistas estãobuscando maneiras mais inovadoras de usar e reutilizar a águaexistente, bem como projetar novos materiais para melhorar os manãtodos de purificação da a¡gua. Membranas de pola­mero semipermea¡veis ​​criadas sinteticamente usadas para remoção de soluto contaminante podem fornecer umnívelde tratamento avana§ado e melhorar a eficiência energanãtica do tratamento de a¡gua; no entanto, as lacunas de conhecimento existentes estãolimitando os avanços transformadores na tecnologia de membrana. Um problema ba¡sico éaprender como a afinidade, ou atração, entre os solutos e assuperfÍcies da membrana afeta muitos aspectos do processo de purificação da a¡gua.

"A incrustação - onde os solutos grudam nas membranas - reduz significativamente o desempenho e éum grande obsta¡culo no projeto de membranas para tratar a águaproduzida", disse M. Scott Shell, professor de engenharia química da UC Santa Ba¡rbara, que realiza simulações computacionais de águamole materiais e biomateriais. "Se pudermos compreender fundamentalmente como a viscosidade do soluto éafetada pela composição química dassuperfÍcies da membrana , incluindo a possí­vel padronização de grupos funcionais nessassuperfÍcies, podemos comea§ar a projetar membranas resistentes a incrustação de próxima geração para repelir uma ampla gama de solutos tipos. "

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, explica a releva¢ncia das caracterizações macrosca³picas da afinidade do soluto a superfÍcie.

"As interações soluto-superfa­cie na águadeterminam o comportamento de uma grande variedade de fena´menos fa­sicos e tecnologias, mas são particularmente importantes na separação e purificação da a¡gua, onde muitas vezes muitos tipos distintos de solutos precisam ser removidos ou capturados", disse Monroe, agora um pesquisador de pa³s-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 águaaltamente contaminadas, como aquelas produzidas em operações de campos petrola­feros, onde a concentração de solutos éalta e seus produtos químicos bastante diversos."

Os solutos são frequentemente caracterizados como abrangendo uma gama de hidrofa­licos, que podem ser considerados como semelhantes a  águae se dissolvendo facilmente em a¡gua, a hidrofa³bicos ou antipa¡ticos e preferindo se separar da a¡gua, como o a³leo. AssuperfÍcies abrangem o mesmo intervalo; por exemplo, a águaacumula-se emsuperfÍcies hidrofa³bicas e se espalha emsuperfÍcies hidrofa­licas. Os solutos hidrofa­licos gostam de aderir asuperfÍcies hidrofa­licas e os solutos hidrofa³bicos aderem asuperfÍcies hidrofa³bicas. Aqui, os pesquisadores corroboraram a expectativa de que "semelhante continua a gostar", mas também descobriram, surpreendentemente, que o quadro completo émais complexo.

 

"Entre a ampla gama de produtos químicos que consideramos, descobrimos que os solutos hidrofa­licos também gostam desuperfÍcies hidrofa³bicas, e que os solutos hidrofa³bicos também gostam desuperfÍcies hidrofa­licas, embora essas atrações sejam mais fracas do que as semelhantes", explicou Monroe, referindo-se aos oito solutos o grupo testou, variando de ama´nia e a¡cido ba³rico a isopropanol e metano. O grupo selecionou solutos de pequenas moléculas normalmente encontrados em a¡guas produzidas para fornecer uma perspectiva fundamental sobre a afinidade desuperfÍcie do soluto.

O grupo de pesquisa computacional desenvolveu um algoritmo para repadronizarsuperfÍcies reorganizando grupos químicos desuperfÍcie a fim de minimizar ou maximizar a afinidade de um determinado soluto para asuperfÍcie, ou alternativamente, para maximizar a afinidade desuperfÍcie de um soluto em relação a outro. A abordagem baseou-se em um algoritmo genanãtico que "desenvolveu" padraµes desuperfÍcie de maneira semelhante a  seleção natural, otimizando-os em direção a um objetivo de função particular.

Por meio de simulações, a equipe descobriu que a afinidade desuperfÍcie estava mal correlacionada aos manãtodos convencionais de hidrofobicidade do soluto, como o grau de solubilidade do soluto na a¡gua. Em vez disso, eles encontraram uma conexão mais forte entre a afinidade desuperfÍcie e a maneira como as moléculas de águaperto de umasuperfÍcie ou perto de um soluto mudam suas estruturas em resposta. Em alguns casos, essas a¡guas vizinhas foram obrigadas a adotar estruturas des favoráveis ; movendo-se para mais perto desuperfÍcies hidrofa³bicas, os solutos poderiam então reduzir o número de tais moléculas de águades favoráveis , fornecendo uma força motriz geral para afinidade.

"O ingrediente que faltava era entender como as moléculas de águaperto de umasuperfÍcie são estruturadas e se movem em torno dela", disse Monroe. "Em particular, as flutuações estruturais da águasão aumentadas perto desuperfÍcies hidrofa³bicas, em comparação com a águaa granel ou a águalonge dasuperfÍcie. Descobrimos que as flutuações impulsionam a viscosidade de todos os pequenos tipos de soluto que testamos."

A descoberta ésignificativa porque mostra que, ao projetar novassuperfÍcies, os pesquisadores devem se concentrar na resposta das moléculas de águaao seu redor e evitar serem guiados por manãtricas convencionais de hidrofobicidade.

Com base em suas descobertas, Monroe e Shell dizem que assuperfÍcies compostas por diferentes tipos de químicas moleculares podem ser a chave para atingir vários objetivos de desempenho, como evitar que uma variedade de solutos sujem uma membrana.

"Superfa­cies com vários tipos de grupos químicos oferecem um grande potencial. Mostramos que não apenas a presença de diferentes grupos desuperfÍcie, mas seu arranjo ou padrãoinfluenciam a afinidade do soluto-superfa­cie", disse Monroe. "Apenas reorganizando o padrãoespacial, torna-se possí­vel aumentar ou diminuir significativamente a afinidade desuperfÍcie de um determinado soluto, sem alterar quantos grupos desuperfÍcie estãopresentes."

De acordo com a equipe, suas descobertas mostram que os manãtodos computacionais podem contribuir de maneira significativa para os sistemas de membrana de próxima geração para o tratamento sustenta¡vel da a¡gua.

"Este trabalho forneceu uma visão detalhada das interações em escala molecular que controlam a afinidade dasuperfÍcie do soluto ", disse Shell, presidente do fundador de John E. Myers em Engenharia Quí­mica. "Além disso, mostra que a padronização desuperfÍcie oferece uma estratanãgia de design poderosa em membranas de engenharia são resistentes a  incrustação por uma variedade de contaminantes e podem controlar precisamente como cada tipo de soluto éseparado. Como resultado, oferece regras de design molecular e alvos para sistemas de membrana de última geração capazes de purificar a¡guas altamente contaminadas de maneira eficiente em termos de energia. "

A maioria dassuperfÍcies examinadas eram sistemas modelo, simplificados para facilitar a análise e o entendimento. Os pesquisadores dizem que o pra³ximo passo natural seráexaminarsuperfÍcies 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 seráir além da compreensão meramente de quanto pegajosa uma membrana épara um soluto e para calcular as taxas nas quais os solutos se movem atravanãs das membranas.