Синтетическая химия – это область исследований, связанная с созданием и исследованием новых веществ и материалов, не существующих в природе. Иногда для такого применения, как фармацевтическое или высокотехнологичное производство, требуется определенное свойство или поведение материала.
Синтетическая химия может помочь найти, создать или усовершенствовать подходящие материалы. Например, для фильтрации воды можно использовать так называемые синтетические жидкокристаллические мембраны.
При фильтрации воды или других жидкостей цель состоит в том, чтобы отделить химические компоненты, такие как ионы, от целевой жидкости. Использование пористой мембраны может быть основным методом для этого. Интуитивно очевидно, что отверстия в поверхности не позволят пройти сквозь них чему-либо большему, чем отверстие.
Но современные мембраны, такие как синтетические жидкокристаллические мембраны, могут иметь поры размером всего несколько нанометров, миллиардных долей метра. В этих масштабах функциональность мембраны – это нечто большее, чем просто размер поры.
«Химия играет большую роль в том, что происходит в этих маленьких масштабах», – сказал профессор Такаши Като с факультета химии и биотехнологии Токийского университета. "В случае фильтрации воды поры имеют такой размер, чтобы через них не проходило ничего, кроме воды.
Однако существуют также электростатические силы между ионами и порами. Если материал спроектирован правильно, эти силы служат дополнительным барьером для ионов, даже если они меньше пор. Это довольно хорошо понятно.
Но есть еще одно важное вещество, которое может повлиять на фильтрацию воды, и это на самом деле сама молекула воды."
Профессор Йошихиса Харада из Института физики твердого тела UTokyo и его команда намеревались полностью описать то, что давно подозревалось, но никогда не объяснялось раньше: как молекулы воды в месте поры взаимодействуют с окружающими молекулами и ионами воды. На самом деле это очень важно в этом крошечном масштабе, когда даже незначительные силы могут повлиять на общую производительность фильтрующей мембраны. Также чрезвычайно сложно извлечь такую информацию из физических систем.
«Теоретически мы могли бы использовать компьютерное моделирование, чтобы точно смоделировать, как вода ведет себя и взаимодействует во время фильтрации, но такое моделирование потребует огромных мощностей суперкомпьютеров», – сказал Харада. «Так что, по крайней мере, сначала мы обратились к физическому методу для изучения этих механизмов, который получил название мягкой рентгеновской эмиссионной спектроскопии высокого разрешения на основе синхротрона. Само по себе это было чрезвычайно сложной задачей."
Этот процесс работает, принимая рентгеновское излучение от синхротрона, ускорителя частиц, и направляя его на анализируемый образец.
Образец, в данном случае мембрана и молекулы воды, изменяет некоторые характеристики рентгеновского луча, прежде чем он будет обнаружен и зарегистрирован датчиком высокого разрешения. Изменения, вносимые в рентгеновский луч, с высокой степенью точности рассказывают исследователям, что происходило в образце.
"Это непросто", – сказал Харада. "Из-за тонкости мембран сигналы, которые мы ожидали от целевых молекул воды в порах, трудно отличить от фоновых сигналов из-за большого количества других молекул воды.
Поэтому нам пришлось вычесть сигналы фонового уровня, чтобы сделать наши целевые сигналы более заметными. Но теперь я рад, что мы можем представить первое в истории описание воды, действующей как часть ее основного материала. Мы надеемся, что, занимаясь фундаментальными науками такого рода, другие получат инструменты, на которых можно будет опираться."
Новые модели команды описывают, как взаимодействия молекул воды модулируются заряженными частицами в непосредственной близости.
В порах мембраны молекулы воды, модулированные определенным образом, предпочтительно связываются с другими модулированными молекулами воды в объеме. Подобная динамическая система, в которой изменение какого-либо свойства вызывает дальнейшее изменение этого же свойства, известна как цикл обратной связи. Хотя они могут показаться математически сложными, эти модели могут помочь инженерам создавать новые и эффективные методы фильтрации.
«Жидкокристаллические мембраны уже имеют поры идеального размера, тогда как предыдущие типы мембран были более разнообразными», – сказал Като. "В сочетании с нашими новыми знаниями мы стремимся создать мембраны, которые будут еще более избирательными в отношении того, что они пропускают, чем все, что было раньше.
Они могли делать больше, чем просто очищать воду; они могут быть полезны, например, при создании литий-ионных батарей в качестве электролитов, переносящих ионы лития между электродами, и даже в качестве вирусного фильтра. Поскольку эти мембраны настолько высокоселективны, их можно настроить так, чтобы они блокировали только очень определенные вещи, а это означает, что они также могут использоваться в течение длительных периодов времени, прежде чем они станут насыщенными."
Харада, Като и их коллеги хотят исследовать несколько областей. Эти первоначальные физические эксперименты будут использоваться в компьютерных моделях, поэтому передовое компьютерное моделирование является одной из таких областей. Но они также хотят посмотреть на клеточные мембраны, которые естественным образом опосредуют прохождение ионов, таких как калий и натрий, – изучение их также может помочь улучшить искусственные мембраны.
«Что интересно здесь, так это то, как химия, физика и биология объединяются, чтобы прояснить такие, казалось бы, сложные вещи», – сказал Харада.