Исследование, в котором участвовали исследователи из Университета штата Калифорния в Остине, Университета штата Пенсильвания, Университета Теннесси, Университета Фудань и Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, изначально было вдохновлено тем, как наши клетки переносят воду по всему телу, и началось как попытка разработать искусственные каналы для транспортировки воды через мембраны. Цель состояла в том, чтобы имитировать аквапорины, важные мембранные белки, которые служат в качестве водных каналов и находятся в определенных клетках. Аквапорины – это быстрые и эффективные системы фильтрации воды.
Они образуют поры в мембранах клеток в различных частях тела – глазах, почках и легких, – где вода наиболее востребована.
Кумару и его команде не удалось полностью отразить систему аквапоринов, как планировалось. Вместо этого они обнаружили еще более эффективный процесс фильтрации воды.
В отличие от отдельных аквапориновых клеток организма, которые эффективно функционируют независимо друг от друга, мембраны, разработанные исследовательской группой Кумара, не работали хорошо в одиночку.
Но когда он объединил несколько из них, чтобы создать сети «водопроводов», они оказались очень эффективными при транспортировке и фильтрации воды. Водяные провода – это плотно связанные цепочки молекул воды, которые движутся исключительно быстро, как поезд и его отдельные вагоны.
«Мы пытались скопировать и без того сложный процесс водного транспорта, используемый аквапоринами, и наткнулись на совершенно новый и даже лучший метод», – сказал Кумар, доцент кафедры гражданского, архитектурного и экологического проектирования школы Кокрелла. "Это было совершенно случайно. Мы понятия не имели, что это произойдет."
Эти сети искусственных мембран могут оказаться полезными для отделения соли от воды – процесса фильтрации, который в настоящее время является неэффективным и дорогостоящим. Новая мембрана показала впечатляющие опреснительные свойства, демонстрируя гораздо более избирательное удаление солей и, предположительно, других загрязняющих веществ по сравнению с существующими процессами.
«Наш метод в тысячу раз более эффективен, чем существующие процессы опреснения, с точки зрения его селективности и проницаемости», – сказал Кумар. "На каждые 10 000 молекул морской воды, которые проходят через существующие системы опреснения, одна молекула соли может не отфильтровываться.
Благодаря нашей новой мембранной технологии одна молекула соли на каждые 10 миллионов молекул воды не будет отфильтрована, при этом скорость переноса воды будет сравнима или лучше, чем у существующих мембран."
На протяжении всей своей карьеры Кумар сосредоточился на разработке материалов и процессов, которые используют функциональные возможности биологических молекулярных моделей и применяют их в инженерных масштабах.
«Трудно даже эффективно имитировать сложность работы человеческого тела, особенно на молекулярном уровне», – сказал он. «Однако на этот раз природа стала отправной точкой для еще большего открытия, чем мы могли когда-либо надеяться."