这些折叠通道有助于运输水，同时阻止盐等不需要的分子。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校/科克雷尔工程学院
对于许多工程师和科学家来说，大自然是世界上最伟大的缪斯女神。他们寻求更好地理解已经进化了数百万年的自然过程，以有益于社会的方式模仿它们，有时甚至改进它们。
包括奥斯汀大学工程师在内的一个国际跨学科研究团队找到了一种方法来复制一种在细胞之间移动水的自然过程，其目标是改善我们过滤盐和其他元素和分子的方式，以创造干净的水，同时消耗更少的能量。
在2021年5月20日在Nature Nanotechnology上发表的一篇新论文中，研究人员创建了一个分子大小的水运输通道，可以在细胞之间携带水，同时排除质子和不需要的分子。这些通道模拟了我们体内被称为水通道蛋白的蛋白质的水运输功能。在我们的细胞中，质子与水的不受控制的运输可能是有害的，因为它们可以改变细胞的 pH 值，可能会破坏或杀死它们。
这是第一个可以真正模拟这些生物水通道的关键水传输特征的人造纳米级通道。它可以提高膜有效过滤掉不需要的分子和元素的能力，同时加快水的运输，从而降低创造清洁供应的成本。
范德比尔特大学的研究人员在 ORNL 使用中子来揭示水分子（以蓝色显示）和DNA之间的氢键模式。这些发现有助于深入了解水如何影响DNA功能。
这些折叠通道有助于运输水，同时阻止盐等不需要的分子。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校/科克雷尔工程学院
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“它复制了自然，但它打破了自然已经建立的规则，”科克雷尔工程学院土木、建筑和环境工程系的助理教授 Manish Kumar 说。“这些通道有助于快速运输你想要的分子，比如水，并阻止你不需要的分子，比如盐。”
研究小组的人工水通道可以执行与水通道蛋白相同的功能，这对于海水淡化、水净化和其他分子分离过程至关重要。与水通道蛋白相比，它们运输水的速度提高了 2.5 倍。
人工通道的宽度为三纳米，长度为三纳米。如果密集地填充到正确尺寸的膜中，通道每平方米膜每秒可以通过大约 80 公斤的水，同时以远高于当前商业脱盐膜的能力的速率排斥盐和质子。
“这些人工通道本质上解决了只允许水分子通过而排除盐和质子等其他溶质的关键技术挑战，”海南大学化学系和西北工业大学先进合成研究所的曾华强教授说。中国。“它们非凡的水传输速度以及这些通道允许更简单的膜制造这一事实表明，它们将成为下一代膜的关键组成部分，用于生产清洁水，以解决本世纪人类面临的严重短缺问题。”
基于水通道蛋白的通道是如此之小，以至于它们一次只允许一个水分子通过，就像一条单车道的道路。这些新通道中一个独特的结构特征是通道中的一系列折叠，可以创建额外的“通道”，可以说，允许水分子更快地传输。
伊利诺伊大学厄巴纳分校生物物理学教授 Aleksei Aksimentiev 说：“就水上运输速度而言，你正在从一条乡间小路到一条高速公路，同时仍然通过在道路上设置一些小颠簸来避开其他事物。” -参与研究的香槟。
Kumar 在攻读博士学位期间参加了 Aksimentiev 教授的关于纳米机器物理学的课程。伊利诺伊大学环境工程专业。他说，这门课既充满挑战，又充满挑战，多年后他仍会回顾课堂上的笔记。
当库马尔还是学生的时候，他们一起写了一篇论文。然后，当他成为教授时，Aksimentiev 帮助他在另一篇论文上进行了模拟工作。多年来，他们一直在合作研究水运通道。
跨学科团队由来自世界各地的物理学、化学工程、药理学等领域的教师和研究人员组成。研究人员来自中国的德克萨斯大学奥斯汀分校、伊利诺伊大学、哈佛医学院、海南大学和西北工业大学以及新加坡的纳米生物实验室。
Zeng是该论文的通讯作者。Kumar 负责项目的测试部分，Aksimentiev 负责模拟工作。
今年早些时候，Kumar 与宾夕法尼亚州立大学的研究人员合作发现了一项新发现，该发现为传统的海水淡化膜的工作原理提供了新的思路。他们发现，整个膜的均匀性加快了水的输送并改善了盐分的过滤过程。
库马尔说，这项新工作将这一概念提升到了另一个层次。这些通道只能是一种尺寸，以适应所需的水分子，同时挤出其他不需要的分子。
展望未来，该团队计划使用这些人工水道制造下一代反渗透膜，将海水转化为饮用水。