Yeni akıllı membran, suyu arıtmak ve metalleri verimli bir şekilde çıkarmak için hücre mantığını taklit ediyor.

Yeni akıllı membran, suyu arıtmak ve metalleri verimli bir şekilde çıkarmak için hücre mantığını taklit ediyor.

Su filtreniz bir hücre gibi düşünüp neyi içeri alacağına, neyi engelleyeceğine ve ne zaman yapacağına karar verebilseydi ne olurdu?

Chicago Üniversitesi ve Northwestern Üniversitesi'ndeki hassas bilim insanları tam da bu hedefe ulaşmaya daha yakın.

Canlı hücrelerin, iyonların (yüklü parçacıkların) zarlarındaki mikroskobik tünellerden akışını kontrol etme şeklini taklit eden ekip, biyolojiden ilham alan içgüdülere sahip akıllı bir membran gibi, belirli iyonların geçişini artırmak veya engellemek üzere ayarlanabilen yapay bir sistem geliştirdi.

İyonlar yeni numaralar öğreniyor

Araştırmacılar, kurşun, kobalt veya baryum gibi eser miktarda metal iyonu eklemenin, sentetik, angstrom ölçeğinde 2 boyutlu bir nanokanaldan geçen potasyum miktarını önemli ölçüde değiştirebileceğini keşfettiler.

Kurşun iyonlarındaki yalnızca %1'lik bir artış, potasyum akışını iki katına çıkardı; bunu, akışı daha da hızlandırarak değil, potasyumun klorürle birleşip nötr bir bileşik oluşturmasına ve daha kolay akmasına yetecek kadar rakip iyonları yavaşlatarak yaptı.

Çalışmanın ortak başyazarı Mingzhan Wang, "Araştırmamızın en heyecan verici kısmı, angstrom ölçeğindeki 2 boyutlu kanallardaki iyon taşınımının, diğer iyonların varlığında, çok küçük bir oranda bile, ne kadar çarpıcı bir şekilde değişebileceğini göstermemiz," dedi.

İyonik karışımı ayarlayarak iyon akışını artırma ve engelleme arasında geçiş yapma yeteneği, mühendisleri talebe göre hareket eden duyarlı membranlar inşa etmeye bir adım daha yaklaştırıyor.

Bu tür bir kontrol, sudan toksinleri nasıl uzaklaştırdığımızı, tuzlu sudan lityum gibi değerli mineralleri nasıl geri kazandığımızı ve hatta geleceğin akışkan tabanlı elektronik cihazlarında akışı nasıl yönettiğimizi değiştirebilir.

Bu atılımın merkezinde küçük ama güçlü bir etkileşim var. İyonlar pozitif veya negatif elektrik yükleri taşır ve bir kanaldan geçerken, bu yükler hem tünel duvarlarıyla hem de birbirleriyle etkileşime girer.

Ekip, kurşun iyonlarının tünel duvarlarını kaplayan asetat gruplarına bağlandığında elektrostatik ortamı hafifçe değiştirdiğini keşfetti. Bu değişim, negatif yüklü klorür iyonlarını potasyumla senkronize olmalarına yetecek kadar yavaşlatarak, zardan daha kolay geçen nötr potasyum klorür çiftleri oluşturur.

Northwestern Üniversitesi Kimya Profesörü George Schatz, "Etkileşime girmek istediği yüklü bir şey yok, bu da yeni molekülün, iki iyon kanaldan ayrı ayrı akıyor olsaydı olacağından daha hızlı akmasını sağlıyor," diye açıkladı.

Zarlar akıl kazanıyor

Aynı derecede ilgi çekici bir şekilde, etki tersine çevrilebilir. Kobalt veya baryum eklemek, bağlanma bölgeleri için kurşunla rekabet ederek bu eşleşmeyi bozar ve potasyum-klorür çiftlerinin oluşumunu azaltır.

Ekip baş yazarlarından Qinsi Xiong, "İyon türlerinin kombinasyonunu değiştirerek, işbirlikçi bir etkiden engelleyici bir etkiye geçebildik," dedi. "Yine, altta yatan fiziği anlamak çok önemli."

Ekip, bunu yapmak için iyon kaynaklı dipol etkileşimlerini de içeren, özel olarak oluşturulmuş bir denge dışı moleküler dinamik simülasyonu kullanarak atom ölçeğinde neler olduğunu modelledi.

Xiong, "İyon kaynaklı dipol etkileşimini de içeren ve bu 2 boyutlu nanokanal boyunca iyon taşınımını simüle eden bir denge dışı moleküler dinamik simülasyonu tasarladık," dedi. "Sonuçlarımız deneylerle uyumluydu ve dahil ettiğimiz fiziğin doğru yolda olduğunu gösteriyordu."

Potasyum taşınımı yavaşlar; tıpkı bir düğmeyi "açık"tan "kapalı"ya çevirmek gibi. Bu, canlı hücrelerin olağanüstü seçiciliğini yansıtan dinamik ve kontrol edilebilir bir sistemdir.

Bu araştırmanın etkisi laboratuvarın çok ötesine uzanabilir. Membranlar bir gün su kirliliğine gerçek zamanlı olarak uyum sağlayarak yalnızca zararlı iyonları giderebilir. Cihazlar, deniz suyundan minimum atıkla lityum çıkarabilir.

İyonların akışkan hesaplamanın yapı taşları olarak ortaya çıktığı elektronik alanında, programlanabilir iyon akışı tamamen yeni teknolojilerin önünü açabilir.

Kaynak: IE