Утолить глобальную жажду помогут опреснители на основе нанотрубок

Углеродная нанотрубка, по которой проходит вода. Красные шарики – кислород. Иллюстрация Physorg

Французский врач, биолог Аллен Бомбар, пересекший в 1952 году Атлантический океан в утлой лодочке, чтобы утолить жажду, был вынужден пить мышечный сок пойманных им рыб. В результате в Америку он прибыл с серьезным поражением почек. В чем-то его ситуация напоминает необходимость периодического диализа крови, в котором нуждаются люди с почечной недостаточностью. Любопытно, что у белой и красной рыбы, вынужденной во время нереста переходить из морей в пресные реки (реже наоборот), перестраивается работа аквапорин – встроенных в клеточные мембраны белков с центральной порой, через которую «курсируют» молекулы воды. Кстати, вода через них проходит со скоростью до миллиарда молекул в секунду.

И тем не менее без соли жить нельзя, с ней в организм поступают необходимые для работы клеток ионы металлов и хлора, без которого невозможен синтез соляной кислоты в желудке.

Уже издавна ученые знают о гипо- и гипертонических растворах: в первых количество ионов меньше, чем в клетках, а во вторых больше. Раствор, уравновешивающий концентрацию соли NaCl по обе стороны оболочки, называется физиологическим. Его поэтому безопасно переливают людям. В гипотоническом растворе вода устремляется в клетку, в результате та раздувается, как воздушный шарик. В гипертоническом растворе вода из клетки уходит. При этом создается впечатление «растворения», или лизиса, клеточной плазмы (плазмолиз).

В связи со всем этим легенда объясняет, почему Дмитрию Менделееву не дали Нобелевскую премию за его периодический закон, значение которого никто не отрицал. Наш ученый был не совсем согласен с гипотезой диссоциации молекул с образованием ионов, считая, что молекулы той же соли «облекаются» сольватной оболочкой молекул воды (от solvat – растворенный в воде). Много позже, с повышением разрешающей способности научных приборов, выяснилось, что правы и те и другие.

Одним из достижений нанотехнологии стало получение углеродных нанотрубок (CNT – Carbon NanoTubes). Особый интерес, конечно же, вызывают однослойные (Single-Walled) нанотрубки. Сечение нанотрубки составляет восемь ангстрем (0,8 нанометра, нм). Для сравнения: толщина волоса в среднем – 60 тыс. нм!

Другой пример успехов нанотехнологий связан с получением двумерных пленочных 2D-нитридов таких элементов, как бор и углерод (BN и CN). Благодаря нитридам были получены тонкопленочные композитные материалы, которые легко сворачиваются в нанотрубки с получением CNT. Через трубки большего диаметра молекулы воды, подобно ионным каналам клеток, проводят ионы в окружении молекул воды (прав был все-таки Менделеев!). Оставалось только интегрировать подобные CNT-порины в мембраны липосом из жировых молекул.

Все эти сложные манипуляции провели сотрудники лаборатории в калифорнийском г. Ливермор в сотрудничестве с коллегами из Юго-Западного университета в Нанкине (КНР). Исследователи получили эффективные десалинаторы – молекулярную систему опреснения воды, от недостатка которой страдают и Калифорния, и Китай.

Авторы статьи в приложении к журналу Science пишут, что «моделирование на уровне атомов позволило построить детальную картину прохождения воды по CNT-поринам». Возможно, в скором будущем нанотрубочные опреснители придут на смену опреснителям, работающим от энергии от АЭС.