Sapere Scienza

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Membrane artificiali bioispirate per filtrare l'acqua

3 Maggio 2018

Riuscire a filtrare e purificare le acque è un obiettivo centrale per il recupero di risorse compromesse a causa dello spesso sconsiderato sfruttamento e inquinamento da parte della società. È per questo che i ricercatori francesi del CNRS - Center National de la Recherche Scientifique - hanno sviluppato una membrana con dei canali artificiali ispirati a qualcosa di già esistente in natura: le acquaporine, le proteine che formano i pori nelle membrane biologiche. Cosa rende queste strutture bioispirate così speciali? Scopriamolo insieme.

 

Cosa sono le acquaporine?

 

L’acqua è onnipresente negli esseri viventi e il suo passaggio all’esterno o all’interno delle cellule assolve diverse e importanti funzioni: è un regolatore del volume cellulare e della temperatura corporea, è un solvente nelle reazioni metaboliche, trasporta nutrienti e rimuove scorie. Come avvengono tutti questi processi? Il transito dell’acqua procede attraverso le acquaporine: una famiglia di proteine canale appartenenti alla membrana cellulare, osservabili in batteri, funghi, piante e animali. Le acquaporine agiscono come le valvole di un sistema idraulico, regolando il flusso del prezioso liquido.

 

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Gli esperimenti

 

Gli scienziati sono riusciti a osservare all’interno dei canali artificiali di membrane lipidiche, adoperando una tecnica spettroscopica innovativa, le molecole d’acqua organizzarsi in una maniera molto particolare: una spirale molecolare orientata in cui l’acqua era diventata chirale. Un composto è definito chirale quando non può essere sovrapposto a una sua immagine speculare e la differenza tra le due strutture ne influenza le proprietà chimiche e fisiche. L’organizzazione a elica delle molecole d’acqua è spiegata dalla loro polarità e dalla asimmetria dei canali. L’acqua interagisce tramite legami idrogeno con le pareti dei canali artificiali e, nella superstruttura risultante, le molecole che formano i canali trasmettono il loro carattere chirale alle molecole di H2O che assumono così una direzione preferenziale. Secondo i ricercatori è questa disposizione a rivestire un ruolo importante nell’attivazione o selezione del trasporto attraverso la membrana.

 

Struttura a elica delle molecole d'acqua nei canali di una membrana artificiale

 

Rappresentazione schematica di molecole d’acqua con una struttura a elica, orientate in una singola direzione nel centro del canale. Formato dai derivati dell’istamina (una molecola organica della classe delle ammine biogene), questo canale chirale si crea spontaneamente all’interno del doppio strato di fosfolipidi (bianco) stabilizzato in un medium acquoso (blu). Ciò genera una forza che permette il trasporto dell’acqua. Credits: CNRS – Center National de la Recherche Scientifique

 

Una nuova soluzione per filtrare e purificare le acque

 

Gli esperimenti di laboratorio hanno confermato che la chiralità dell’acqua causa una grande mobilità nei nanocanali, spinge il trasporto di materiale richiedendo minore energia dall’esterno. Questa scoperta dà il via a una estesa serie di applicazioni riguardanti la filtrazione e la purificazione delle acque. Ora i ricercatori stanno sviluppando membrane per osmosi inversa, comunemente utilizzate per dissalare l’acqua di mare, ottenendo già risultati promettenti nel miglioramento della permeabilità e della selettività di questi nuovi strumenti.

 

Un po’ di esperimenti per capire come l’acqua si muove in una pianta nell’articolo “L'acqua che sale e l'energia della pianta” di Marcello Sala e Marco Testa, che potrete leggere acquistando il numero di giugno 2017 di Sapere.

copertina   luglio-agosto 2018

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