Naukowcy z Torunia kopiują rozwiązania natury, pracując nad membranami do transportu wody

Istniejące w przyrodzie rozwiązania techniczne od dawna inspirują inżynierów. Jednym z najwcześniej zauważonych i najczęściej opisywanych jest kwiat lotosu, który pozostaje czysty, choć wyrasta z bagna (dlatego zarówno Egipcjanie, jak Hindusi czy buddyści znaleźli dla niego w swoich religiach miejsce).

Badając lotos pod mikroskopem naukowcy wyjaśnili, że jego zdolność samooczyszczania wynika ze struktury powierzchni, która jest silnie hydrofobowa, czyli zatrzymuje krople wody na powierzchni. Woda zbiera cząsteczki kurzu i spływając, usuwa je. Oznacza to, że siły adhezji odpowiedzialne za gromadzenie się wody na kwiecie są słabe, ale jednocześnie brud łatwo przyczepia się do kropelek, co skutkuje samooczyszczeniem.

Dzięki naśladowaniu lotosu udało się stworzyć samoczyszczące powierzchnie – tynki, dachówki, tekstylia, powłoki malarskie. Inną strukturę mają płatki róży – ich powierzchnia jest hydrofobowa, ale o dużej adhezji (przyczepności) – dlatego kropla wody, która spadnie na płatek, przykleja się i nie spada (efekt płatka róży, petal effect). Żaba, która potrafi chodzić po suficie o chropowatej powierzchni, zainspirowała z kolei pomysłodawców kopert z paskiem samoprzylepnym.

Bardziej złożonym przypadkiem tego typu wydaje się struktura pancerza chrząszcza Stenocara gracilipes, żyjącego na afrykańskiej pustyni Namib. Jest ona jednocześnie hydrofobowa i hydrofilowa. Drobne guzki na pokrywach skrzydeł chrząszcza zbierają mikroskopijne kropelki, podczas gdy odpychające wilgoć obszary poniżej działają jak kanaliki, którymi woda dopływa do otworu gębowego. Dzięki temu chrząszcze mogą przeżyć w tak trudnym środowisku, jakim jest pustynia Namib, należąca do najgorętszych i najbardziej suchych miejsc na świecie.

Potrafią wychwytywać wilgoć z niesionych wiatrem kropelek mgły.”Oglądałam film, jak chrząszcz staje rano na łapkach, gdy jest rosa, i wychwytuje z tej mgiełki wodę” – mówi dr hab. Joanna Kujawa, prof. Uniwersytetu Mikołaja Kopernika (UMK) z Wydziału Chemii, cytowana na internetowej stronie swojej uczelni. – “Dzięki temu, że reszta powierzchni pancerza jest pokryta woskiem, woda spływa, a chrząszcz jest w stanie ją pić i przetrwać w tak trudnych warunkach”.

Naukowcy zaczęli się zastanawiać, jak to rozwiązanie przenieść z natury do laboratorium, bo takie zjawisko jest wykorzystywane w destylacji membranowej. “Tam enzymy nanosi się przez absorpcję, czyli przyleganie powierzchniowe, a nie wiązania chemiczne” – tłumaczy prof. dr hab. Wojciech Kujawski z Wydziału Chemii UMK. – “Jeśli jest to absorpcja fizyczna, to łatwo może nastąpić desorpcja, bo tam oddziałują słabe siły”.

Chodziło o to, żeby wzmocnić membrany, które dzięki połączeniom chemicznym stają się trwalsze. Dobrym pomysłem okazało się wykorzystanie dostępnego w dużych ilościach chitozanu. Chityna, którą łatwo można przekształcić w chitozan, występuje naturalnie m.in. w pancerzach krewetek. Pancerzyków tych “owoców morza” są hałdy i traktowane są jako odpad. Toruńscy naukowcy stwierdzili, że można nie tylko skopiować strukturę pancerza chrząszcza, ale też – zgodnie z zasadami filozofii “zero waste” – wykorzystać zalegający chitozan. Dzięki niemu woda będzie jeszcze łatwiej spływać, spełni on więc tę rolę, którą spełnia wosk u chrząszcza. Chemicy zdecydowali, by chitozan przyłączyć w miejscu hydrofilowych wysepek.

“To wymóg destylacji membranowej, że powierzchnia membrany musi być porowata i hydrofobowa” – wyjaśnia prof. Kujawa. – “Można znaleźć wiele przykładów wykorzystania chitozanu w membranach, ale nikt wcześniej nie przyłączał go chemicznie. Dało nam to duże pole do popisu – jeśli przyłączymy chitozan chemicznie, to pozostanie na swoim miejscu”.

Naukowcy najpierw modyfikowali chitozan, potem przyczepiali go chemicznie do membrany. Teraz natomiast zdecydowali się najpierw zmodyfikować membranę, a dopiero później dołączyć do niej chitozan. Dzięki temu membrana jest bardziej hydrofilowa, można przepuścić przez nią większy strumień wody. “W literaturze nie ma podobnych prac, więc trudno nam porównywać efekty z innymi” – mówi prof. Kujawa. – “Tam, gdzie fizycznie aplikowano chitozan do zmodyfikowanej membrany, też obserwowano poprawę, ale nie w takim stopniu jak u nas. Dzięki temu możemy dostosowywać materiał do procesu, w którym chcemy go wykorzystywać”.

Membrana powstająca w trakcie modyfikacji fizycznej jest tak naprawdę “na raz”. Później chitozan przeważnie jest wymywany. – “Z ciekawości zrobiliśmy próbę stabilności modyfikowanych chemicznie membran do odsalania wody, w dziesięciu długich, kilkudniowych cyklach” – zdradza prof. Kujawa. – “Zaobserwowaliśmy delikatne zmiany, ale nie na tyle znaczące, by nagle wszystko nam się rozpadło”.

Toruńscy chemicy testowali też odporność membran na zarastanie. Badania prowadzili na sokach owocowych. Przez oddziaływania pulpy owocowej z membraną resztki owoców zostawały na jej powierzchni, zatykały pory i nie można było jej dłużej używać. Natomiast na powierzchni, mającej w składzie chitozan o dodatkowych właściwościach bakteriobójczych, występują zupełnie inne oddziaływania, pulpa owocowa nie przywiera, a jeśli już się to zdarzy, można bardzo łatwo ją zmyć strumieniem wody, bez dodatków środków chemicznych.

Swoje koncepcje i prace chemicy z UMK opisali w dwóch publikacjach. Pierwszy – o przyłączaniu zmodyfikowanego chitozanu do membrany – ukazał się w “Desalination”; drugi – o odłączaniu chitozanu do zmodyfikowanej membrany – w “ACS Applied Materials and Interfaces”. Badania są realizowane wespół z partnerem zagranicznym, prof. Samerem Al-Gharabli z Wydziału Farmacji i Inżynierii Chemicznej Niemiecko-Jordańskiego Uniwersytetu w Ammanie (Jordania).

Docelowo naukowcy chcą zrobić takie membrany, które coraz lepiej będą transportować wodę, a jednocześnie zatrzymywać sole i inne zanieczyszczenia. “Oczywiście to wszystko jest związane z brakiem wody pitnej na Ziemi” – tłumaczy prof. Kujawski, cytowany na stronie uczelni.

“W Polsce też będziemy musieli zmierzyć się z tym problemem i to znacznie szybciej, niż sądzą najwięksi pesymiści. Kilka lat temu byłem na seminarium w Jordanii, gdzie usłyszałem, że na problem braku wody należy patrzeć nie przez pryzmat całego kraju, ale poprzez pryzmat bardzo małej jednostki administracyjnej. Jeżeli się zaczyna dzielić kraj na coraz mniejsze kwadraty, to nagle się okazuje, że procent populacji o ograniczonym dostępie do wody gwałtownie rośnie. W Polsce mamy dostęp do wody wzdłuż rzek, ale gdy 20 lat temu byłem w Zakopanem, słyszałem +oszczędzajcie wodę, bo nasze strumienie wysychają+. Tam studnie się zanieczyszczają, źródeł świeżej wody nie ma, więc problem wysychania i obniżania się wód gruntowych zdecydowanie postępuje”.