水也许是地球上最关键的自然资源。随着需求的增加和水资源的日益紧张，科学家正在寻求更多创新的方式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。合成产生的用于去除污染物溶质的半渗透性聚合物膜可以提供一定程度的深度处理并提高水处理的能源效率;然而，现有的知识鸿沟限制了膜技术的变革性进步。一个基本问题是了解溶质与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。

UC Santa Barbara的化学工程教授M. Scott Shell说：“结垢(溶质粘附并粘在膜上，会显着降低性能，这是设计用于处理采出水的膜的主要障碍)。”材料和生物材料。“如果我们能够从根本上理解溶质的粘性如何受到膜表面化学成分的影响，包括可能在这些表面上形成官能团的图案，那么我们就可以开始设计下一代防污膜来排斥各种溶质类型。”

现在，壳牌公司及其主要作者雅各布·梦露(Jacob Monroe )是国家科学院院刊(PNAS)上发表的一篇论文。该系的毕业生以及壳牌研究小组的前成员，解释了溶质与表面亲和力的宏观表征的相关性。

“水中的溶质表面相互作用决定了各种物理现象和技术的行为，但是在水分离和净化中尤为重要，因为在水分离和净化中，通常需要去除或捕获许多不同类型的溶质，” Monroe说道。国家标准技术研究院(NIST)的博士后研究员。“这项工作解决了一个巨大的挑战，即了解如何设计可处理每年大量被高度污染的水的下一代膜，例如在油田作业中生产的膜，其中的溶质浓度很高，其化学性质也多种多样。”

溶质通常被表征为范围从亲水性到疏水性或不喜欢水而喜欢从水分离，亲水性可以被认为是亲水的并且容易溶于水，而疏水性是不喜欢水的并且优选与水分离，例如油。表面跨度相同;例如，水在疏水性表面上成珠状并在亲水性表面上散布。亲水性溶质倾向于粘附在亲水性表面上，而疏水性溶质则粘附在疏水性表面上。在这里，研究人员证实了“坚持不变”的期望，但令人惊讶的是，他们发现完整的图景更加复杂。

“在我们考虑过的各种化学物质中，我们发现亲水性溶质也像疏水性表面，而疏水性溶质也像亲水性表面，尽管这些吸引力比类似的弱些，”门罗解释说，提到了八种溶质。测试组从氨和硼酸到异丙醇和甲烷。该小组选择了通常在采出水中发现的小分子溶质，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通过重新排列表面化学基团来重新构图表面的算法，以使给定溶质对表面的亲和力最小化或最大化，或者使一种溶质相对于另一种溶质的表面亲和力最大化。该方法依赖于一种遗传算法，该遗传算法以类似于自然选择的方式“演化”了表面图案，从而针对特定功能目标对其进行了优化。

通过模拟，研究小组发现表面亲和力与溶质疏水性的常规方法之间的关联性很差，例如溶质在水中的溶解度。相反，他们发现表面亲和力与表面或溶质附近的水分子响应而改变其结构的方式之间存在更强的联系。在某些情况下，这些邻近水域被迫采用不利的结构。通过靠近疏水表面，溶质可以减少这种不利的水分子的数量，从而为亲和力提供整体驱动力。

门罗说：“缺少的成分是了解表面附近水分子的结构和在表面周围的运动。” “特别是，与散装水或远离地表的水相比，疏水表面附近的水结构波动增强了。我们发现，波动导致我们测试的每种小溶质类型的粘性增加。”

这一发现意义重大，因为它表明在设计新表面时，研究人员应专注于周围水分子的响应，并避免受到常规疏水性指标的指导。

根据他们的发现，梦露和壳牌公司说，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(例如防止各种溶质污染膜)的关键。

“具有多种化学基团的表面具有巨大的潜力。我们证明，不仅存在不同的表面基团，而且它们的排列或图案也会影响溶质-表面亲和力，” Monroe说。“仅通过重新排列空间图案，就可以显着增加或减少给定溶质的表面亲和力，而无需更改存在的表面基团的数量。”

据研究小组称，他们的发现表明，计算方法可以为可持续水处理的下一代膜系统做出重大贡献。

“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识，”化学工程创始人约翰·E·迈尔斯(John E. Myers)创始人谢尔说。“此外，它表明表面构图为工程膜提供了一种强大的设计策略，可以抵抗各种污染物的污染，并且可以精确地控制每种溶质类型的分离方式。因此，它提供了分子设计规则和目标下一代膜系统，能够以高能效的方式净化高度污染的水。”

所检查的大多数表面都是模型系统，经过简化以利于分析和理解。研究人员说，下一步自然是要审查日益复杂和逼真的表面，在更紧密地模仿使用的实际膜水治疗。使建模更接近膜设计的另一个重要步骤是，不仅要了解膜对溶质的粘性，还需要计算溶质穿过膜的速率。