Science: Самодвижущийся насос использует свет и химию для отлова загрязнителей

Исследователи из Дартмута создали насос, работающий на солнечной энергии. С его помощью можно удалять определённые загрязнители из воды.

Об этом говорится в новом докладе в журнале Science.

Когда вода поступает в насос, она активирует рецепторы, которые соединяются с отрицательно заряженными ионами — загрязнителями, нарушающими метаболизм у растений и животных.

Когда вода выходит из насоса, другая волна деактивирует эти рецепторы, и они высвобождают загрязняющие вещества, удерживая их до безопасной утилизации.

С помощью синтетического рецептора можно преобразовать световую энергию в химический потенциал и таким образом удалить загрязняющее вещество из отходов, — рассказывает Иван Апрахамян, профессор химии в Дартмуте и старший автор исследования.

Сейчас устройство откалибровано для работы с хлоридами и бромидами. В дальнейшем его планируют использовать и для других веществ с высоким содержанием анионов: например, радиоактивных отходов, фосфатов и нитратов из сельскохозяйственных стоков, которые становятся причиной массовых мёртвых зон.

Апрахамиан говорит, что в одном растворе можно разместить несколько рецепторов и активировать их светом разной длины волны. Это позволит нацеливаться и собирать каждый из анионов по отдельности.

Синтетические рецепторы могут задерживать и отводить отрицательно заряженные молекулы. Исследователи смогли использовать эту способность, чтобы управлять потоком ионов хлорида из низкоконцентрированного раствора в высококонцентрированный. За 12 часов они переместили 8% ионов против градиента концентрации через мембрану с синтетическими рецепторами.

Исследователи сосредоточились на хлориде по двум причинам:

1. Зимой ливневые стоки с дорожной солью повышают уровень хлоридов в водотоках, нанося вред растениям и животным.
2. Транспортировка ионов хлорида играет ключевую роль в здоровом функционировании клеток. Заболевание муковисцидоз вызывается тем, что клетки не могут выкачивать избыток хлорида. Из-за этого происходит обезвоживание клеток, а в лёгких и других органах скапливается густая слизь.

Ионы хлорида прошли почти 1,4 дюйма — ширину мембраны, разделяющей оба конца трубки. Это впечатляющее расстояние для таких маленьких частиц, которые двигались только за счёт света. Это эквивалентно тому, как если бы вы прогнали футбольный мяч на расстояние 65 000 футбольных полей, — говорит Апрахамиан.

Лаборатория Апрахамиана изучает синтетические соединения — гидразоны, которые реагируют на свет.

Во время пандемии COVID аспирант Байхао Шао решил улучшить рецептор гидразона, чтобы он мог собирать и выделять анионы.

Апрахамян пытался отговорить его, считая идею неконкурентоспособной. Но Байхао приступил к разработке рецептора.

Рецептор может управляться возобновляемым источником энергии — светом. Он относительно прост в изготовлении и модификации.

Исследователи создали рецептор с помощью «клик-химии» — метода, который был удостоен Нобелевской премии. Его изобрёл химик Барри Шарплесс спустя несколько лет после окончания Дартмута.

Это исследование демонстрирует потенциал молекулярных машин. Восемь лет назад три химика получили Нобелевскую премию по химии за разработку их синтетических версий. Молекулярные машины широко распространены в природе: в клетках животных они работают на АТФ, а в клетках растений — на солнце. В организме человека крошечные молекулярные машины выполняют большую часть работы внутри клеток.

Учёные десятилетиями пытались создать миниатюрные молекулярные машины вне организма, чтобы использовать их для очистки окружающей среды, доставки лекарств, диагностики и лечения заболеваний. Но оказалось, что разработать такие машины на бумаге проще, чем воплотить в реальности.

Апрахамян говорит, что они хотят имитировать биологические процессы, используя солнечный свет для создания автономных систем фильтрации.

05.08.2024