Новый материал обошел графен в деле опреснения воды
Американские исследователи установили, что мембраны на основе двумерных структур дисульфида молибдена могут оказаться более эффективными опреснителями морской воды, чем другие существующие аналоги. В своей работе, опубликованной в Nature Communications, авторы приводят результаты теоретического моделирования процесса фильтрации в зависимости от химического состава, размера и геометрии пор мембраны.
Область моделирования состояла из фрагмента мембраны с единственной порой, молекул воды, и графенового поршня, который эту воду должен был проталкивать сквозь пору. В ходе моделирования ученые рассчитывали зависимость степени опреснения воды от размера и геометрии пор, от давления воды в поршне и химических процессов, происходящих на границе поры.
Для дисульфида молибдена существует три различных варианта строения пор, в зависимости от того, какие из атомов преобладают – серы, молибдена или «смешанные». Авторы рассчитали поток жидкости через мембраны с разными видами пор как функцию давления и сравнили полученные кривые с аналогичными зависимостями для пор в монослое графена. Оказалось, что наиболее эффективным является сульфид молибдена (MoS2) c «молибденовыми» порами. Авторы объясняют это геометрией строения и гидрофильностью-гидрофобностью составляющих атомов.
Из-за особенностей кристаллической структуры исходного материала «молибденовая» пора имеет форму песочных часов, узкая часть которых – обладающие гидрофильностью (то есть, «притягивающие» воду) атомы молибдена, а края – гидрофобные («отталкивающие») атомы серы. Когда молекулы воды приближаются к поре, они начинают «скользить» к притягивающему их молибденовому «перешейку», создавая в узкой части большую плотность воды и, тем самым, обеспечивая высокую скорость потока через мембрану. В случае «серной» поры все наоборот. Гидрофобные узкие ее части расположены на входе и выходе из отверстия, препятствуя продвижению воды.
Таким образом, оказалось, что от химической структуры границ поры существенно зависит пропускная способность мембраны. Однако на степень опреснения больше влияет размер отверстия, а не его химический состав. Так, для пор площадью меньше 18,02 Å2 эффективность фильтрации составляет 100 процентов вне зависимости от того, какой материал используется для создания пор. Но скорость потока через такую мембрану очень низкая – вода в узких порах образует цепочечные структуры за счет водородных связей, которые «перегораживают» отверстие. Поэтому перед исследователями стояла задача определить оптимальное соотношение размера поры и ее состава, чтобы обеспечить максимальную скорость потока при сохранении высокой эффективностью фильтрации.
Авторы установили, наилучшими по обеим характеристикам являются мембраны из MoS2 c «молибденовыми» порами площадью от 20 до 60 Å2. Их использование позволит увеличить скорость фильтрации от двух до пяти раз по сравнению с применяющимися в настоящее время цеолитными и полимерными мембранами, или на 70 процентов по сравнению с графеновыми. Несмотря на то, что данная работа носит чисто теоретический характер, она основывается на экспериментальных данных о строении и свойствах двумерных структур из дисульфида молибдена. Методы получения монослоев MoS2 и пористых мембран на их основе сравнительно просты и быстро совершенствуются, позволяя уже сейчас получать материалы лучшего качества, чем, например, графеновые аналоги.
В настоящее время существует огромное количество различных конкурирующих способов опреснения воды, но достаточно экономичного и универсального метода, подходящего для любых условий, так и не было найдено. Еще в XVI веке королева Англии Елизавета издала указ, действующий и в наше время, который устанавливает премию в 10000 фунтов стерлингов за создание достаточно эффективного и дешевого метода опреснения морской воды. Эта премия до сих пор хранится в английском казначействе, а, значит, так и не нашлось достойного ее изобретения.
Как развитие технологий позволило нащупать «топологическое решение» загадки шизофрении
Шизофрения — одна из самых загадочных и сложных болезней человека. Уже более ста лет ученые пытаются понять причины ее возникновения и найти ключ к терапии. Пока эти усилия не слишком успешны: до сих пор нет ни препаратов, которые могли ли бы ее по-настоящему лечить, ни даже твердого понимания того, какие молекулярные и клеточные механизмы ведут к ее развитию. О том, как ученые бьются с «загадкой шизофрении» мы уже неоднократно писали: сначала с точки зрения истории психиатрии, затем с позиции классической генетики (читателю, который действительно хочет вникнуть в суть проблемы, будет очень полезно сначала прочитать хотя бы последний текст). На этот раз наш рассказ будет посвящен новым молекулярно-биологическим методам исследования, которые появились в распоряжении ученых буквально в последние несколько лет. Несмотря на сырость методик и предварительность результатов, уже сейчас с их помощью получены важнейшие данные, впервые раскрывающие механизм шизофрении на молекулярном уровне.