Pour de nombreux ingénieurs et scientifiques, la nature est la plus grande muse du monde. Ils cherchent à mieux comprendre les processus naturels qui ont évolué au cours de millions d'années, les imiter d'une manière qui peut profiter à la société et parfois même les améliorer.

Un international, une équipe interdisciplinaire de chercheurs comprenant des ingénieurs de l'Université d'Austin a trouvé un moyen de reproduire un processus naturel qui déplace l'eau entre les cellules, dans le but d'améliorer la façon dont nous filtrons le sel et d'autres éléments et molécules pour créer de l'eau propre tout en consommant moins d'énergie.

Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans Nanotechnologie naturelle, les chercheurs ont créé un canal de transport d'eau de la taille d'une molécule qui peut transporter l'eau entre les cellules tout en excluant les protons et les molécules indésirables. Ces canaux imitent les fonctions de transport d'eau des protéines de notre corps appelées aquaporines. Dans nos cellules, le transport incontrôlé de protons à côté de l'eau peut être nocif car ils peuvent modifier le pH des cellules, potentiellement les perturber ou les tuer.

Il s'agit du premier exemple d'un canal artificiel de la taille d'un nanomètre qui peut véritablement imiter les principales caractéristiques de transport de l'eau de ces canaux d'eau biologiques. Et cela pourrait améliorer la capacité des membranes à filtrer efficacement les molécules et les éléments indésirables, tout en accélérant le transport de l'eau, ce qui rend moins cher la création d'un approvisionnement propre.

"Il copie la nature, mais il le fait en enfreignant les règles que la nature a établies, " a déclaré Manish Kumar, professeur adjoint au département de génie civil de la Cockrell School of Engineering, Génie de l'architecture et de l'environnement. "Ces canaux facilitent le transport rapide des molécules que vous souhaitez, comme l'eau, et bloquez ceux que vous ne voulez pas, comme le sel."

Les canaux d'eau artificiels de l'équipe de recherche peuvent remplir les mêmes fonctions que les aquaporines, qui sont cruciaux à un niveau plus large pour le dessalement, purification de l'eau et autres procédés de séparation des molécules. Et ils le font tout en transportant l'eau 2,5 fois plus rapidement que les aquaporines.

Les canaux artificiels mesurent trois nanomètres de largeur sur trois nanomètres de longueur. Si densément emballé dans la membrane de taille correcte, les canaux peuvent laisser passer environ 80 kilogrammes d'eau par seconde par mètre carré de membrane, tout en rejetant les sels et les protons à des taux beaucoup plus élevés que ne le permettent les membranes de dessalement commerciales actuelles.

"Ces canaux artificiels résolvent essentiellement les défis techniques critiques de ne laisser passer que les molécules d'eau tout en excluant d'autres solutés comme le sel et les protons, ", a déclaré le professeur Huaqiang Zeng du Département de chimie de l'Université de Hainan et de l'Institut de synthèse avancée de l'Université polytechnique du Nord-Ouest en Chine. "Leur extraordinaire vitesse de transport de l'eau et le fait que ces canaux permettent une fabrication plus simple des membranes suggèrent qu'ils deviendront un élément crucial de membranes de nouvelle génération pour produire de l'eau propre afin de faire face à la grave pénurie à laquelle les êtres humains sont confrontés au cours de ce siècle. »

Les canaux à base d'aquaporine sont si petits qu'ils ne laissent passer qu'une seule molécule d'eau à la fois, comme une route à voie unique. Une caractéristique structurelle unique de ces nouveaux canaux est une série de plis dans les canaux qui créent des « voies, " pour ainsi dire, permettant aux molécules d'eau d'être transportées plus rapidement.

"Vous passez d'une route de campagne à une autoroute en termes de vitesse de transport fluvial, tout en gardant d'autres choses en se mettant de petites bosses sur la route, " a déclaré Alexeï Aksimentiev, un professeur de physique biologique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign qui a collaboré à la recherche.

Kumar a suivi un cours enseigné par Aksimentiev sur la physique des nanomachines tout en étudiant pour son doctorat. en génie de l'environnement à l'Université de l'Illinois. Le cours, il a dit, était à peu près aussi difficile que cela puisse venir, et il se réfère toujours à ses notes de classe des années plus tard.

Ils ont travaillé ensemble sur un papier lorsque Kumar était étudiant. Et puis quand il est devenu professeur, Aksimentiev l'a aidé avec le travail de simulation sur un autre papier. Depuis des années maintenant, ils ont collaboré à l'étude des canaux de transport de l'eau.

L'équipe interdisciplinaire comprend des professeurs et des chercheurs du monde entier en physique, ingénieur chimiste, pharmacologie et plus encore. Les chercheurs viennent de l'UT Austin, Université de l'Illinois, Faculté de médecine de Harvard, Hainan University et Northwestern Polytechnical University en Chine et NanoBio Lab à Singapour.

Zeng est l'auteur correspondant sur le papier. Kumar a dirigé la partie test du projet et Aksimentiev a dirigé le travail de simulation.

Plus tôt cette année, Kumar a fait équipe avec des chercheurs de la Penn State University sur une découverte qui a jeté un nouvel éclairage sur le fonctionnement des membranes traditionnelles de dessalement de l'eau. Ils ont découvert que l'uniformité dans toute la membrane accélère le transport de l'eau et améliore le processus de filtrage du sel.

Ce nouvel ouvrage, Kumar dit, porte ce concept à un autre niveau. Ces canaux ne peuvent avoir qu'une taille pour s'adapter aux molécules d'eau souhaitées tout en éliminant les autres molécules indésirables.

Aller de l'avant, l'équipe prévoit d'utiliser ces canaux d'eau artificiels pour fabriquer des membranes d'osmose inverse de nouvelle génération afin de convertir l'eau de mer en eau potable.