脱盐突破可最大程度地提高流量，从而降低滤水成本

聚合物脱盐膜的3D模型显示水流（银通道从上到下流动）避免了膜中的密集斑点并减缓了流动。

大自然已经决定了如何制作好的膜。

生物膜使正确的物质进入细胞，同时阻止错误的物质进入细胞。而且，正如研究人员在《科学》杂志上发表的一篇论文中指出的那样，他们是杰出的，并且是他们工作的理想选择。

但是，它们不一定适合大批量的工业工作，例如将盐水推过膜以去除盐分并为饮用水提供新鲜水，灌溉农作物，给牲畜浇水或创造能源。

我们可以从那些高性能的生物膜中学到什么吗？我们可以将自然界的同质设计策略应用于制成的聚合物膜吗？我们是否可以量化是什么使某些工业膜的性能优于其他工业膜？

由爱荷华州立大学，宾夕法尼亚州立大学，德克萨斯大学奥斯汀分校，杜邦水务公司和陶氏化学公司（由宾夕法尼亚州立大学的恩里克·戈麦斯和德克萨斯州Manish Kumar领导）的研究人员使用透射电子显微镜和3D计算建模来观察寻求答案。

爱荷华州立大学的Baskar Ganapathysubramanian，机械工程学系的Joseph C.和Elizabeth A.Anderlik工程学教授以及机械工程学博士Biswajit Khara在应用数学，高性能计算和3D建模方面的专业知识为该项目。

研究人员发现，创建均匀的膜密度低至十亿分之一米的纳米级，对于最大化反渗透，水过滤膜的性能至关重要。他们的发现刚刚在《科学》杂志上在线发表，并将成为2021年1月1日印刷版的封面。

爱荷华州立工程师与宾夕法尼亚州立大学的透射电子显微镜对用于脱盐的四种不同聚合物膜的测量结果一起，预测了水流过膜的3D模型，从而可以对某些膜为什么比其他膜表现更好进行详细的比较分析。

Ganapathysubramanian说：“这些模拟能够弄清楚，更均匀的膜-没有'热点'-具有均匀的流动性和更好的性能，”。“秘密要素是减少不均匀性。”

卡拉说：只要看一看爱荷华州研究人员在得克萨斯州高级计算中心的协助下创建的科学发现图像：膜上方的红色表示在较高压力和较高盐浓度下的水；中间的金黄色，粒状，海绵状结构在阻盐膜内显示出较密集和较不密集的区域。银质通道显示水如何流过；底部的蓝色表示压力较低且盐浓度较低的水。

Khara说：“您会看到3D膜内流动特性的巨大变化。”

最能说明问题的是银线，表明水在膜的密集点周围移动。

“我们正在展示整个膜中水的浓度如何变化。”Ganapathysubramanian说到需要高性能计算才能解决的模型。“这很漂亮。由于无法获得如此详细的3D测量结果，而且执行此类模拟并非易事，因此以前从未做过。”

Khara补充说：“模拟本身给计算带来了挑战，因为不均匀膜内的扩散率可能相差六个数量级”

因此，本文得出结论，更好地淡化膜的关键是弄清楚如何在很小的规模上测量和控制人造膜的密度。制造工程师和材料科学家需要使整个膜的密度均匀，从而在不牺牲盐分去除的情况下促进水的流动。

这是Ganapathysubramanian实验室进行的计算工作的又一个示例，有助于解决一个非常基本但实际的问题。

Ganapathysubramanian说：“这些模拟为确定使海水淡化膜更有效的关键提供了很多信息，”他在该项目上的工作部分得到了美国国家科学基金会的两项资助。

参考：Tyler E. Culp，Biswajit Khara，Kaitlyn P. Brickey，Michael Geitner，Tawanda J.Zimudzi，Jeffrey D. Wilbur，Steven D.Jons，Abhishek Roy，Mou Paul撰写的“内部不均匀性的纳米尺度控制增强了脱盐膜中的水传输，Baskar Ganapathysubramanian，Andrew L.Zydney，Manish Kumar和Enrique D.Gomez，2020年12月31日，科学。
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该项目由宾夕法尼亚州立大学化学工程和材料科学与工程学教授恩里克·戈麦斯（Enrique Gomez）和德克萨斯大学奥斯汀分校土木，建筑与环境工程学副教授曼尼什·库马尔（Manish Kumar）领导。

另外，来自爱荷华州立大学：比斯瓦吉特·卡拉（Biswajit Khara），巴斯卡尔·加纳帕西从宾夕法尼亚州立大学：Tyler Culp，Kaitlyn Brickey，Michael Geitner，Tawanda Zimudzi，Andrew Zydney；来自杜邦水务解决方案：杰弗里·威尔伯（Jeffrey Wilbur），史蒂夫·琼斯（Steve Jons）；来自陶氏化学公司：Abhishek Roy，Mou Paul。