新算法通過重繪膜表面圖案優化淨水

本文轉自【科技日報】；

科技日報北京3月16日電 （實習記者張佳欣）據近日發表在《美國國家科學院院刊》的一篇論文，科學家探究了溶質與膜表面親和力宏觀特徵的相關性。這項研究採取的新計算方法將為應用於可持續水處理的下一代膜系統作出貢獻。

解決水處理中膜技術的一個基本問題，是要了解溶質和膜表面之間的親和力或吸引力如何影響水淨化過程。

研究發現，在小組測試的八種溶質（包括氨、硼酸、異丙醇和甲烷等）中，親水的溶質喜歡疏水錶面，疏水的溶質喜歡親水錶面，儘管這些吸引力比其原本特點帶來的吸引力要弱。

研究小組開發了一種算法，通過重新排列膜表面化學基團重繪表面圖案，以使給定溶質與膜表面親和力最小化或最大化，或者使一種溶質相對於另一種溶質的表面親和力最大化。這種算法以一種類似於自然選擇的方式“進化”表面圖案，將它們優化到特定的功能。

通過模擬，研究小組發現，膜表面親和力與溶質疏水性的傳統特性（如溶質在水中的溶解度）相關性不大。相反，表面親和力與靠近膜表面或靠近溶質的水分子結構改變存在更強的聯繫。

論文主要作者雅各布·門羅解釋説：“與主體水或遠離膜表面的水相比，疏水錶面附近的水結構波動增強了。波動導致測試的每種小溶質的黏性增加。”

這一發現意義重大，這表明研究人員在設計新的膜表面時，應該把重點放在膜周圍水分子的反應上，而不是受傳統的疏水性指標所影響。

研究人員表示，由不同類型的分子通過化學反應組成的膜表面，可能是實現其多個性能目標的關鍵。僅通過重新排列空間圖案，就有可能顯著增加或降低給定溶質的表面親和力，而不會改變存在於膜表面的基團數量。

這項工作為控制溶質與膜表面親和力的分子相互作用提供了詳細的解釋，解決了下一代膜設計路徑上的重大挑戰。此外，重構表面圖案提供了一種強大的工程膜設計策略，可抵抗各種污染物，並可精確地控制每種溶質的分離方式。因此，它為研發以節能方式淨化高污染水的下一代膜系統，提供了分子設計規則和目標。