Erweiterung des Potenzials von Nanotechnologien im Bereich des Zugangs zu sauberem Wasser

Dr. Francois Gray
CNNM, Tsinghua-Universität, Peking, Kybernetikzentrum China City, Genf, Schweiz
6. Juli 2015

Kurzzusammenfassung
Das Pure Water-Team stellte fest, dass Wasser viel dünner als bisher angenommen durch die dünnsten Nanoröhren fließen kann. Dieses innovative Verständnis grundlegender physikalischer Prozesse kann dazu dienen, die Verfügbarkeit von reinem Wasser für Millionen durch effizientere Methoden zum Filtern und Entsalzen von Wasser zu erhöhen. Es ist auch möglich, in den Bereichen medizinische und saubere Energie anzuwenden. Diese Entdeckung wurde bereits in Nature Nanotechnology, der angesehensten Zeitschrift für Natotechnologie, veröffentlicht.



Freiwillige haben eine Visualisierung erstellt, um die Wechselwirkung von Wasser- und Kohlenstoffnanoröhren zu untersuchen. Reines Wasser ist die Grundlage des Lebens, jetzt werden Millionen von Menschen auf der ganzen Welt seinen Mangel erleben. Unser Team entdeckte ein Phänomen, das ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu sauberem Wasser für alle Bedürftigen sein könnte. Heute sterben jedes Jahr etwa eine Million Menschen an Wasser von schlechter Qualität. Gleichzeitig wächst die Bevölkerung, das Klima ändert sich und das Problem wird sich verschlimmern. Bestehende und bedürftige Straßensysteme sind häufig nicht verfügbar. Studien namens "Berechnungen" Reines Wasser "können die Situation ändern. Und dieser erstaunliche Fund wurde kürzlich in der führenden Zeitschrift für Nanotechnologie, Nature Nanotechnology, veröffentlicht.

Grundsätzlich befasst sich diese Entdeckung mit der Frage: „Wie können wir potenziell, d.h. Verwenden Sie Kohlenstoffnanoröhren, um Wasserfilter so effizient wie möglich und zu geringeren Kosten herzustellen. “ Kohlenstoffnanoröhren erzeugen Schichten mit einer Dicke von einem Atom, Graphen genannt, die zu dünnen Röhren mit einem Durchmesser von mehreren Nanometern (etwa einem Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares) verdreht sind. Dieser Durchmesser der Röhrchen ermöglicht es Wassermolekülen, durch sie hindurchzugehen und große Partikel und Mikroorganismen während der Wasserfiltration zurückzuhalten. Sie sind so klein, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft vorgeschlagen hat, dass Wasser für eine praktische Versöhnung zu langsam durch sie fließt. Frühe Experimente zeigten jedoch, dass Wasser manchmal viel einfacher als erwartet durchläuft.



Das Erhöhen des Durchflusses kann einen effizienteren Filter bedeuten, aber aufgrund des Mangels an ausreichender Rechenleistung gab es bisher eine große Lücke zwischen dem, was Wissenschaftler durch Computermodellierung verstehen können, und dem, was unter realen Bedingungen erhalten werden kann. Die Forscher in diesem Projekt haben sich darauf konzentriert, diesen Mangel zu beseitigen. Durch verteiltes Rechnen unter Verwendung des World Community Grid-Netzwerks konnte festgestellt werden, dass bestimmte Arten von natürlichen Schwingungen, sogenannte Phononenschwingungen , unter bestimmten Bedingungen zu einer 300% igen Erhöhung des Diffusionsgrades führen können ( wir können den Fluss sagen)) Wasser durch Kohlenstoffnanoröhren, was mit früheren theoretischen Berechnungen vergleichbar ist. Es ist besonders wichtig, dass bei geringen Vibrationen eine natürliche Freisetzung von Wärmeenergie stattfindet, die natürlich in allen Materialien vorhanden ist. Daher sind keine externen Energiequellen erforderlich, um dieses Phänomen auszunutzen.

Was kann diese Entdeckung in der zukünftigen Forschung anzeigen? Eine direkte Anwendung bei der Nutzung der neuen Ideen dieser praktischen Modellierung ist die Entwicklung effektiver Wasserfilter. Wenn Experimente die Annahmen bestätigen, können solche Filter dazu beitragen, die Verfügbarkeit von sauberem Wasser für Millionen von Menschen auf der ganzen Welt zu erhöhen. Es ist auch möglich, billigere Wege zu erhalten, um frisches Wasser (insbesondere aus dem Meer) zu erhalten.

Durch die Verwendung dieses Phänomens im Nanobereich entstehen Membranen und Filter, die viele Prozesse und sogar Industrien im Zusammenhang mit Wasser oder im Allgemeinen Flüssigkeiten revolutionieren. Diese Entdeckung ermöglicht beispielsweise die Abgabe von Arzneimitteln durch dünne Kanäle durch die Wände einer lebenden Zelle. Dies könnte in Zukunft anwendbar sein, um den Prozess der Erzeugung sauberer Energie durch Mischen von reinem und Salzwasser, sogenannten osmotischen Kraftwerken, zu beweisen.

Wir haben diese vielfältigen Möglichkeiten nur dank der Freiwilligen entdeckt, da kein Forschungsteam jemals so viel Rechenleistung hatte, um eine so detaillierte Simulation durchzuführen, um die Strömungsbedingungen in realen Filtern zu untersuchen. Partner des World Community Grid und mehr als 150.000 Freiwillige nahmen an diesem Projekt teil, bei dem es ihnen gelang, einen Wasserstrom mit noch nicht verfügbaren Details zu simulieren, bei dem Phänomene entdeckt wurden, die in den vorherigen Phasen der Studie nicht gefunden wurden.


Computing für Mitglieder des Clean Water-Teams: Zhiping Xu, Ming Ma Quanshui Zheng und Francois Gray

Diese Arbeit ist das Ergebnis einer weltweiten Zusammenarbeit zwischen Forschern aus China, der Schweiz, Israel, Großbritannien und Australien. Vielen Dank an alle Teilnehmer. Dieses Projekt, das in ein paar Jahren abgeschlossen wurde, würde ungefähr 40.000 Rechenjahre dauern, wenn es auf einem Computer falsch berechnet würde. Im Namen des Teams möchte ich allen Freiwilligen danken, die an diesen Studien teilgenommen haben. Diese Leistung gehört auch ihnen.

Erfahren Sie mehr und nehmen Sie an den folgenden Entdeckungen am World Community Grid teil :
IBM Pressemitteilung
" Wassertransport in Kohlenstoffnanoröhren, vermittelt durch phononeninduzierte oszillierende Reibung ", veröffentlicht in Nature Nanotechnology

Source: https://habr.com/ru/post/de386499/