新算法通过重新绘制膜表面图案来优化水净化

根据最近发表在《美国国家科学院院刊》的一篇论文，科学家已经探索了溶质和膜表面亲和力的宏观特征之间的相关性。本研究采用的新计算方法将有助于下一代膜系统的可持续水处理。

为了解决水处理中膜技术的一个基本问题，有必要了解溶质和膜表面之间的亲和力或吸引力如何影响水的净化过程。

发现该组测试的8种溶质(包括氨、硼酸、异丙醇、甲烷等)亲水性溶质更喜欢疏水性表面，疏水性溶质更喜欢亲水性表面，虽然这些吸引力弱于其原有特性带来的吸引力。

研究小组开发了一种算法，通过重新排列膜表面的化学基团来重新绘制表面图案，以便最小化或最大化给定溶质与膜表面的亲和力，或者最大化一种溶质相对于另一种溶质的亲和力。该算法以类似于自然选择的方式“进化”表面模式，并将其优化为特定的功能。

通过模拟，研究小组发现膜表面的亲和力与溶质疏水性的传统特征(如溶质在水中的溶解度)相关性不大。相反，表面亲和力与膜表面或溶质附近水分子的结构变化关系更为密切。

该论文的主要作者雅各布门罗(Jacob Monroe)解释说：“与主水或远离膜表面的水相比，疏水表面附近的水结构波动增强。波动会导致测试的每种小溶质的粘度增加。”

这一发现意义重大，表明研究人员在设计新的膜表面时，应该关注膜周围水分子的反应，而不是受传统疏水指数的影响。

研究人员表示，由不同类型的分子通过化学反应组成的膜表面可能是实现其多重性能目标的关键。只有通过重新排列空间模式，才有可能显著增加或减少给定溶质的表面亲和力，而不改变膜表面上存在的基团数量。

这项工作为控制溶质与膜表面亲和力的分子相互作用提供了详细的解释，解决了下一代膜设计路径中的巨大挑战。此外，重构的表面图案提供了强大的工程膜设计策略，可以抵抗各种污染物，精确控制各种溶质的分离模式。因此，为下一代节能净化高污染水的膜系统的研发提供了分子设计规则和目标。