توسيع إمكانات التقنيات المتناهية الصغر في مجال الحصول على المياه النظيفة

الدكتور فرانسوا جراي
سي إن إم ، جامعة تسينغهوا ، بكين ، مركز علم التحكم الآلي في مدينة الصين ، جنيف ، سويسرا
6 يوليو 2015

ملخص قصير
وجد فريق حساب المياه النقية أن الماء يمكن أن يمر عبر أنحف الأنابيب النانوية بحرية أكبر بكثير مما كان يعتقد سابقًا. يمكن أن يعمل هذا الفهم المبتكر للعمليات الفيزيائية الأساسية على زيادة توافر المياه النقية للملايين ، من خلال طرق أكثر كفاءة لتصفية المياه وتحليةها. أيضا ، من الممكن تطبيقه في مجالات الطاقة الطبية والنظيفة. تم نشر هذا الاكتشاف بالفعل في نيتشر نانوتكنولوجي ، المجلة الأكثر احتراما في مجال التكنولوجيا.



تم إنشاء التصور من قبل المتطوعين لدراسة تفاعل المياه والأنابيب النانوية الكربونية. المياه النقية هي أساس الحياة ، الآن ، سيعاني الملايين من الناس حول العالم من نقصها. اكتشف فريقنا ظاهرة يمكن أن تكون خطوة مهمة إلى الأمام في طريق الحصول على مياه نظيفة لجميع المحتاجين. اليوم ، يموت حوالي مليون شخص كل عام بسبب المياه الرديئة ، إلى جانب ذلك ، يتزايد عدد السكان ، ويتغير المناخ وتتفاقم المشكلة. غالبًا ما تكون أنظمة الطرق الحالية والمحتاجين غير متوفرة. يمكن لدراسات تسمى "حسابات" المياه النقية أن تغير الموقف. وقد تم نشر هذا الاكتشاف المذهل مؤخرًا في المجلة الرائدة حول تقنية النانو ، تقنية النانو نانو.

في الأساس ، يعالج هذا الاكتشاف السؤال: "كيف يمكننا أن نكون ، أي بأكبر قدر ممكن من الكفاءة وبتكلفة أقل ، استخدم الأنابيب النانوية الكربونية لإنشاء فلاتر للمياه ". تنشئ الأنابيب النانوية الكربونية صفائح بسماكة ذرة واحدة ، تسمى الجرافين ، ملتوية في أنابيب رفيعة ، يبلغ قطرها عدة نانومتر (حوالي واحد من عشرة آلاف من قطر شعر الإنسان). هذا القطر من الأنابيب يسمح لجزيئات الماء بالمرور خلالها والاحتفاظ بالجسيمات الكبيرة والكائنات الدقيقة أثناء ترشيح المياه. إنها صغيرة للغاية لدرجة أن المجتمع العلمي اقترح أن المياه ستمر بها ببطء شديد من أجل المصالحة العملية. ومع ذلك ، أظهرت التجارب المبكرة أن الماء يمر أحيانًا بشكل أسهل بكثير مما كان متوقعًا.



قد تعني زيادة التدفق مرشحًا أكثر كفاءة ، ولكن بسبب نقص الطاقة الحاسوبية الكافية ، حتى الآن ، كانت هناك فجوة كبيرة بين ما يمكن للعلماء فهمه من خلال محاكاة الكمبيوتر وما يمكن الحصول عليه في ظروف حقيقية. ركز الباحثون في هذا المشروع على القضاء على هذا النقص. من خلال الحوسبة الموزعة باستخدام شبكة المجتمع العالمي ، كان من الممكن اكتشاف أن أنواع معينة من الاهتزازات الطبيعية تسمى اهتزازات الفونون ، في ظل ظروف معينة ، يمكن أن تؤدي إلى زيادة بنسبة 300٪ في درجة الانتشار ( يمكننا القول أن التدفق) المياه من خلال الأنابيب النانوية الكربونية ، والتي يمكن مقارنتها بالحسابات النظرية السابقة. من المهم بشكل خاص أنه مع الاهتزاز الصغير ، هناك إطلاق طبيعي للطاقة الحرارية ، يوجد بشكل طبيعي في جميع المواد ، وبالتالي ، ليست هناك حاجة لمصادر طاقة خارجية للاستفادة من هذه الظاهرة.

ما الذي يمكن أن يشير إليه هذا الاكتشاف في البحث المستقبلي؟ تطبيق مباشر في استخدام الأفكار الجديدة لهذا النمذجة العملية هو تطوير مرشحات المياه الفعالة. إذا أكدت التجارب الافتراضات ، يمكن أن تساعد هذه المرشحات في زيادة توافر المياه النظيفة لملايين الأشخاص حول العالم. من الممكن أيضًا الحصول على طرق أرخص للحصول على المياه العذبة (على وجه الخصوص ، من البحر).

سيؤدي استخدام هذه الظاهرة النانوية إلى إنشاء أغشية ومرشحات ستحدث ثورة في العديد من العمليات وحتى الصناعات المتعلقة بالمياه أو بشكل عام السوائل. على سبيل المثال ، سيسمح هذا الاكتشاف بتوصيل الأدوية عبر القنوات الرقيقة عبر جدران الخلية الحية. في المستقبل ، قد يكون هذا قابلاً للتطبيق لإثبات عملية توليد الطاقة النظيفة عن طريق خلط المياه النقية والمالحة ، والمعروفة باسم محطات الطاقة التناضحية.

تمكنا من اكتشاف هذه الفرص المتنوعة فقط بفضل المتطوعين ، لأنه لم يكن هناك فريق بحثي يمتلك أي وقت مضى الكثير من القوة الحاسوبية اللازمة لتشغيل مثل هذه المحاكاة التفصيلية لدراسة ظروف التدفق في المرشحات الحقيقية. شارك شركاء شبكة المجتمع العالمي وأكثر من 150.000 متطوع في هذا المشروع ، حيث تمكنوا من محاكاة مجرى مائي بتفاصيل غير متاحة بعد ، حيث لم يتم العثور على الظواهر في المراحل السابقة من الدراسة.


الحوسبة لأعضاء فريق المياه النظيفة: Zhiping Xu و Ming Ma Quanshui Zheng و Francois Gray

هذا العمل هو نتيجة التعاون العالمي بين الباحثين من الصين وسويسرا وإسرائيل والمملكة المتحدة وأستراليا. شكرا لجميع المشاركين. سيستغرق هذا المشروع ، الذي تم الانتهاء منه في غضون عامين ، حوالي 40000 سنة حسابية إذا تم حسابه بشكل خاطئ على جهاز كمبيوتر واحد. بالنيابة عن الفريق ، أود أن أشكر جميع المتطوعين الذين شاركوا في هذه الدراسات. هذا الإنجاز يخصهم أيضًا.

تعرف على المزيد وانضم إلى شبكة المجتمع العالمي في الاكتشافات التالية:
IBM Press Release
" النقل المائي داخل الأنابيب النانوية الكربونية بوساطة ورقة الاحتكاك المتذبذب التي يسببها الفونون " ، المنشورة في Nature Nanotechnology

Source: https://habr.com/ru/post/ar386499/