Текущая теория, описывающая поведение, обусловленное осмосом, делает наиболее точные прогнозы для низких концентраций, ограничивая ее применимость во многих реальных применениях. По мере того, как интерес к исследованиям и разработкам осмотических зависимых процессов растет и расширяется, растет и потребность в более детальном теоретическом понимании детерминированных механизмов.
Новое исследование теперь обеспечивает это глубокое понимание, появившись в виде пары публикаций на этой неделе в Journal of Chemical Physics от AIP Publishing. В первой статье анализируется молекулярная механика осмоса при высоких концентрациях и обобщаются результаты для предсказания поведения при произвольных концентрациях. Вторая часть исследования затем моделирует посредством молекулярного моделирования две ключевые формы осмотического потока широко используемым способом.
«Осмотический перенос, обусловленный разницей солености, происходит во многих биологических системах, а также используется в различных промышленных приложениях», — сказал Хироаки Йошида из ENS во Франции, соавтор парных публикаций. «Недавний интерес к его приложениям к микро- и нано-жидкостным устройствам, таким как опреснение, сбор энергии и биомедицинские технологии, и это лишь некоторые из них, стимулирует рост этой области исследований».Группа решила, что две публикации дадут более подробный и полезный обзор своих выводов и их последствий.«В этом контексте то, что вдохновило нас на начало этой работы, было то, что в таких разнообразных ситуациях мы сталкиваемся с ограничениями существующих теоретических основ для изучения осмотического транспорта», — сказал Йошида. «Было срочно расширить теории, применимые к более широким ситуациям, и в то же время необходимо было разработать соответствующий вычислительный метод для численных исследований. Поскольку эти цели были одинаково важны, мы решили представить эти два сообщения как серию документы ".
Независимо от концентрации, есть два различных геометрических компонента осмотического потока, которые исследовали Йошида и его коллеги, Софи Марбах и Лидерик Боке: голый осмос и диффузио-осмос. Как правило, их рассматривают независимо друг от друга, но группа придерживается другого подхода и видит ценность в понимании того, как они связаны друг с другом.«Чистый осмос и диффузио-осмотический поток — геометрически разные явления: осмос — это перенос жидкости через мембрану, а диффузио-осмос — это поток, параллельный границе твердое тело-жидкость», — сказал Йошида. «Таким образом, с этими явлениями обычно разбираются независимо. Однако движущей силой этих переносов является общая, то есть разница концентраций (или химического потенциала), и поэтому мы сочли важным исследовать их вместе.
На чем мы хотели настаивать один из них заключался в том, что эти два транспорта следует анализировать в общих рамках, используя энергетический барьер и выражение общего осмотического давления ».Используя эту общую схему, они могли затем полностью описать движущие механизмы трансмембранного транспорта с помощью всего лишь нескольких математических «ингредиентов». Такой единый подход обеспечивает более широкую обобщаемость.«Мы строго вывели аналитические выражения, описывающие эти два важных явления осмотического переноса», — сказал Йошида. «Ключевыми моментами, которые привели нас к этим аналитическим выражениям, являются: (i) модели энергетического барьера, которые позволяют нам описывать взаимодействие между растворенными частицами и мембранами с минимальным количеством ингредиентов; (ii) использование единого общего термодинамического выражения для осмотического давления при описании движущей силы этих транспортных средств ".
Затем их теоретическая строгость распространилась на моделирование на молекулярном уровне, чтобы проверить теорию, о которой они сообщают, в первую очередь, подкрепленную наблюдениями за динамикой реальных растворов.«Во-вторых, мы провели численное моделирование, чтобы проверить наши теоретические результаты», — сказал Йошида. «Мы предложили новую методологию неравновесной молекулярной динамики (NEMD) для моделирования молекулярной динамики диффузионно-осмотического потока.
Мы проверили метод как численно, так и теоретически и применили его к реалистичным системам со смесью воды и этанола в контакте с графен и поверхность диоксида кремния ".По словам Йошиды, это привело к первому прямому наблюдению поля скорости диффузионно-осмотического потока.
Они подтвердили, что аналитическое выражение, основанное на их предположениях, предсказывает свойства переноса диффузионно-осмотического потока.
Несмотря на то, что так много работы уже выполнено, их открытия лишь предоставили еще больше работы, которая часто является идеальным результатом научного исследования. Возможные преимущества работы расширяются до более сложных осмотических явлений и неизученных приложений.«Настоящие теоретические результаты выдвигают фундаментальный подход к пониманию различных экспериментальных результатов, чтобы оценить эффекты осмоса и диффузио-осмоса при переносе жидкости через нанопористые мембраны», — сказал Йошида. «Кроме того, предлагаемый метод NEMD является очень мощным инструментом для исследования различных явлений, вызванных концентрацией или градиентом химического потенциала.
В частности, далее будет исследован диффузионно-форетический перенос сложных молекул, таких как полимеры и полиэлектролиты (ДНК). . "Лично Йошида надеется, что эта работа окажет положительное влияние на сбор энергии — отрасль, которая имеет огромный потенциал роста благодаря инновационным мембранам.«Существует быстро растущий интерес к приложениям, использующим разность концентраций или градиенты для извлечения энергии», — сказал он. «Примером, показывающим потенциал разницы концентраций, является тот факт, что когда пресная речная вода смешивается с морской водой, выделяется энергия, равная водопаду высотой 270 м. Использование мембран с новыми материалами для производства электроэнергии является очень активной темой исследований. . "
