Фильтрующие системы, начиная от насадок для кранов и заканчивая промышленными системами комнатного размера, очищают воду для питья и других целей. Однако современные фильтрующие мембраны испытывают трудности, если вода очень грязная или содержит небольшие нейтральные молекулы, такие как борная кислота - распространенный инсектицид, используемый на культурных растениях. Это связано с тем, что синтетические пористые материалы, как правило, ограничены сортировкой соединений либо по размеру, либо по загрузке. Но биологические мембраны имеют поры, сделанные из белков, таких как аквапорин, которые могут отделять воду от других молекул как по размеру, так и по заряду из-за различных типов функциональных групп или наборов атомов, выстилающих каналы. Вдохновленный идеей сделать то же самое с синтетическим пористым материалом, М. Скотт Шелл и его коллеги хотели использовать компьютеры для проектирования внутренней части поры углеродной нанотрубки для фильтрации воды, содержащей борную кислоту.

Исследователи смоделировали канал углеродной нанотрубки с гидроксильными (притягивающими воду) и/или метильными (отталкивающими воду) группами, привязанными к каждому атому на внутренней стенке. Затем они разработали и протестировали тысячи шаблонов функциональных групп с помощью алгоритмов оптимизации и машинного обучения, разновидности искусственного интеллекта, чтобы оценить, насколько быстро вода и борная кислота будут проходить через поры. Вот что они нашли:

• Оптимальные образцы имели один или два ряда гидроксильных групп, зажатых между метильными группами, образуя кольца вокруг средней части поры.
• В этих симуляциях вода проходила через поры почти в два раза быстрее, чем борная кислота.
• Другая серия симуляций показала, что другие нейтральные растворенные вещества, включая фенол, бензол и изопропанол, также могут быть отделены от воды с помощью оптимизированных конструкций углеродных нанотрубок.

По словам исследователей, это исследование демонстрирует полезность искусственного интеллекта для разработки мембран для очистки воды с новыми свойствами, и может лечь в основу нового типа фильтрующей системы. Они добавляют, что этот подход может быть адаптирован для проектирования поверхностей, которые могли бы иметь уникальные взаимодействия с водой или другими молекулами, например, покрытий, устойчивых к загрязнению.

Авторы признают финансирование Министерства энергетики США (через Центр материалов для водных и энергетических систем (M-WET), исследовательский центр энергетических рубежей) при дополнительной поддержке Национального научного фонда США, Калифорнийского института наносистем, Научно-технического центра по исследованию материалов и Национального научного фонда Аспирантская исследовательская стипендия.