作者安德鲁·马苏达，加州大学圣巴巴拉分校 水净化膜的概念说明，通过计算设计，表面官能团的分子尺度图案化，其共同作用是拒绝各种分子污染物和污垢信贷:布莱恩龙/UCSB 水也许是地球上最重要的自然资源
鉴于日益增长的需求和日益紧张的水资源，科学家们正在寻求更具创新性的方法来使用和再利用现有的水，以及设计新的材料来改善水的净化方法
用于污染物溶质去除的合成半渗透聚合物膜可以提供高级处理水平并提高水处理的能量效率；然而，现有的知识差距限制了膜技术的变革性进展
一个基本问题是了解溶质和膜表面之间的亲和力或吸引力如何影响水净化过程的许多方面
“污垢——溶质粘在膜上并粘在膜上——显著降低了性能，是设计膜处理采出水的主要障碍，”M说
斯科特·谢尔是加州大学圣巴巴拉分校的化学工程教授，他负责软材料和生物材料的计算机模拟
“如果我们能够从根本上理解溶质粘性是如何受到膜表面化学成分的影响，包括这些表面上官能团的可能模式，那么我们就可以开始设计下一代抗污染膜来排斥各种溶质类型
" 现在，在美国国家科学院院刊(PNAS)上发表的一篇论文中，壳牌公司和主要作者雅各布·门罗，一位最近的博士
D
该系毕业生，壳牌研究小组前成员，解释了溶质-表面亲和力宏观特征的相关性
“水中溶质-表面的相互作用决定了一系列物理现象和技术的行为，但在水的分离和净化中尤其重要，在那里经常需要去除或捕获许多不同类型的溶质，”门罗说，他现在是国家标准和技术研究所(NIST)的博士后研究员
“这项工作解决了理解如何设计下一代膜的巨大挑战，这种膜可以处理每年大量的高污染水源，如油田作业中产生的水源，那里的溶质浓度很高，化学成分也非常多样
" 溶质通常被描述为从亲水性到疏水性的范围，亲水性可以被认为是亲水性的，很容易溶解在水中，而疏水性则是亲水性的，喜欢从水中分离出来，就像油一样
表面跨度相同；例如，水在疏水表面上聚集，在亲水表面上扩散
亲水溶质喜欢粘附在亲水表面，疏水溶质粘附在疏水表面
在这里，研究人员证实了“喜欢就坚持喜欢”的预期，但也令人惊讶地发现，完整的画面更加复杂
门罗解释说:“在我们考虑的各种化学物质中，我们发现亲水性溶质也喜欢疏水性表面，疏水性溶质也喜欢亲水性表面，尽管这些吸引力比那些喜欢的要弱。”他指的是该小组测试的八种溶质，从氨和硼酸到异丙醇和甲烷
该小组选择了产水中常见的小分子溶质，以提供溶质表面亲和力的基本观点
计算研究小组开发了一种算法，通过重新排列表面化学基团来重新图案化表面，以最小化或最大化给定溶质对表面的亲和力，或者相对于另一种溶质最大化一种溶质的表面亲和力
该方法依赖于一种遗传算法，该算法以类似于自然选择的方式“进化”表面模式，朝着特定的功能目标优化它们
通过模拟，研究小组发现表面亲和力与溶质疏水性的传统方法相关性很差，例如溶质在水中的溶解度
相反，他们发现表面亲和力和靠近表面或溶质的水分子改变其结构的方式之间有更强的联系
在某些情况下，这些邻近水域被迫采用不利的结构；通过向疏水表面靠近，溶质可以减少这种不利水分子的数量，为亲和力提供整体驱动力
门罗说:“缺少的要素是理解表面附近的水分子是如何构成并围绕它运动的。”
“特别是，与大量水或远离表面的水相比，疏水表面附近的水结构波动更大
我们发现波动推动了我们测试的每一种小溶质类型的粘性
" 这一发现意义重大，因为它表明，在设计新表面时，研究人员应该关注周围水分子的反应，避免受传统疏水性指标的指导
根据他们的发现，门罗和壳牌表示，由不同类型的分子化学组成的表面可能是实现多种性能目标的关键，例如防止各种溶质污染膜
“具有多种化学基团的表面提供了巨大的潜力
门罗说:“我们表明，不仅不同表面基团的存在，而且它们的排列或模式，都会影响溶质-表面亲和力。”
“仅仅通过重新排列空间模式，就有可能显著增加或减少给定溶质的表面亲和力，而不改变存在多少表面基团
" 据该团队称，他们的发现表明，计算方法可以在很大程度上为下一代可持续水处理膜系统做出贡献
“这项工作为控制溶质-表面亲和力的分子尺度相互作用提供了详细的见解，”壳牌公司的约翰·E
迈尔斯化学工程创始人主席
“此外，它表明表面图案化为工程膜提供了强大的设计策略，可以抵抗各种污染物的污染，并可以精确控制每种溶质的分离方式
因此，它为下一代膜系统提供了分子设计规则和目标，能够以节能的方式净化高度污染的水
" 大多数被检查的表面都是模型系统，为了便于分析和理解而进行了简化
研究人员说，自然的下一步将是检查越来越复杂和现实的表面，更接近模拟水处理中使用的实际膜
使模型更接近膜设计的另一个重要步骤是超越仅仅理解一种溶液的膜有多粘，转向计算溶质通过膜的速率
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