CNNM, Университет Цинхуа, Пекин, Городской Центр Кибернетики Китая, Женева, Швейцария
6 июля 2015
Краткое резюме
Команда «Вычисления „Чистая Вода“ обнаружила, что вода может проходить через тончайшие нанотрубки намного свободнее, чем ранее предполагалось. Это инновационное понимание фундаментальных физических процессов может послужить повышению доступности чистой воды для миллионов, через более эффективные методы фильтрации и опреснения воды. Так же, это возможно применить в сферах медицинской и чистой энергетики. Данное открытие уже опубликовано в Nature Nanotechnology, наиболее авторитетном журнале о натонехнологиях.
Визуализация создана волонтёрами для изучения взаимодействия воды и углеродных нанотрубок. Чистая вода — основа жизни, сейчас, миллионы людей по всему миру испытают её не достаток. Наша команда отрыла феномен который может стать важным шагом вперёд на пути к получению чистой воды всем нуждающимся. На сегодняшний день, около миллиона человек ежегодно умирает из-за некачественной воды, вместе с этим население увеличивается, климат меняется и проблема будет усугубляться. Существующие на данный момент системы дороги и нуждающимся они часто недоступны. Исследования названные „Вычисления “Чистая Вода» может изменить сложившуюся ситуацию. И эта поразительная находка совсем недавно была опубликована в ведущем журнале посвященным нанотехнологиям «Природа Натотехнологий „(Nature Nanotechnology).
В основном, это открытие касается вопроса: “Как мы потенциально можем, т.е. максимально эффективно с меньшими затратами, использовать углеродные нанотрубки для создания фильтров для воды.» Углеродные нанотрубки создают листы толщиной в один атом, называемые графеном, скрученным в тонкие трубки, диаметром несколько нанометров (около одной десяти тысячной диметра человеческого волоса). Такой диаметр трубок позволяет молекулам воды проходить через них, и задерживать крупные частицы и микроорганизмы во время фильтрации воды. Они настолько малы, что научное сообщество предположило, что для практического примирения вода будет идти через них слишком медленно. Однако, ранние эксперименты показали что вода иногда проходит через много легче чем ожидалось.
Увеличение потока может подразумевать более эффективный фильтр, но из-за отсутствия достаточной вычислительной мощности, до настоящего момента, был большой пробел между тем, что учёные могут понять через компьютерное моделирование и тем, что может быть получено в реальных условиях. Исследователи этого проекта сосредоточили усилия на ликвидации этого недостатка. Через распределённые вычисления с помощью сети World Community Grid удалось открыть, что опредлённые виды естественных вибраций называемых фононовыми, находясь в определённых условиях, могут привести к 300% росту степени диффузии (можно сказать потоку) воды через углеродные нанотрубки, что сопоставимо с предыдущими теоретическими выкладками. Особо важно, что с малой вибрацией происходит естественное выделение тепловой энергии, естественно находящейся во всех материалах, по-этому, нет необходимости во внешних источниках энергии для использования преимуществ этого феномена.
Чем это открытие может обозначать в будущих исследованиях? Непосредственным приложением в использовании новых идей этого практического моделирования- разработка эффективных водных фильтров. Если эксперименты подтвердят предположения, такие фильтры смогут помочь увеличить доступность к чистой воде миллионам людей по всему миру. Так же возможно получить более дешевые способы получения пресной воды (в частности, из морской).
Использования этого наноразмерного феномена, позволит создать мембраны и фильтры которые позволят совершить революцию во многих процессах и даже отраслях, касающихся воды или, вообще, жидкости. Например, это открытие позволит доставлять медикаменты сквозь тонкие каналы через стенки живой клетки. В будущем, это может быть применимо для доказательства процесса получения чистой энергии через смешивание чистой и солёной воды, известным как осмотические электростанции.
Эти разнообразные возможности удалось открыть только благодаря волонтёрам, потому что ни одна исследовательская группа никогда не имела столько необходимой вычислительной мощности для запуска столь детального моделирования для изучения условий потока в реальных фильтрах. Партнёры World Community Grid и более 150 000 добровольцев приняли участие в этом проекте, где удалось смоделировать водный поток с детализацией не доступной до сих пор, где и были обнаружены феномены не найденный на предыдущих этапах исследования.
Члены команды Computing for Clean Water: Zhiping Xu, Ming Ma Quanshui Zheng and Francois Grey
Эта работа, результат глобального сотрудничества между исследователями из Китая, Швейцарии, Израиля, Великобритании и Австралии. Спасибо всем участникам. Этот проект, законченный за пару лет, занял бы около 40 000 вычислительных лет, если просчитывался бы на одном компьютере. От имени командны, хочется поблагодарить всех добровольцев принявших участие в этих исследованиях. Это достижение так же принадлежит им.
Узнать больше и присоединиться к World Community Grid в следующих открытиях:
IBM Press Release
'Water transport inside carbon nanotubes mediated by phonon-induced oscillating friction' paper, published in Nature Nanotechnology
Комментарии (11)
click0
12.11.2015 21:48-2А подскажите, как будет фамилия Петрик по-китайски?
Mad__Max
12.11.2015 22:19О, перевели. Собирался статью эту перевести больше месяца назад, но все руки не доходили. Значит вам плюсик, а я могу статью вычеркнуть из списка ожидающих :)
Всем читающим, еще об успехах распределенных вычислений рекомендуется к прочтению эта статья: geektimes.ru/post/249348
Это тоже был проект в рамках World Community Grid.
Сейчас оба проекта (и по фильтрам на основе нанотрубок и по нейробластоме) уже завершены, но идут другие:
— поиск лекарства и методов лечения ВИЧ/СПИД
— поиск лекарства от лихорадки Эбола
— изучение и статистический анализ онкомаркеров (ранняя диагностика рака)
— проект по изучению генома (построение гигантской матрицы соответствия и степеней похожести между генетическим кодом разных живых организмов планеты)
— проект по поиску и изучению новых органических материалов для производства органических солнечных батарей (гораздо более «чистых» в производстве и потенциально более дешевых чем классические кремниевые).
worldmind
13.11.2015 23:40Важный вопрос это сколько будет стоить фильтр и будет ли он многоразовым, и если будет многоразовым как просто/дешёвого его будет чистить.
Mad__Max
16.11.2015 04:44Стоить — неизвестно, пока только теорию проработали и создали математическую и компьютерную модель для расчета происходящих процессов.
А вот насчет остального — должен быть многоразовым и относительно легко очищаемым, это же практически механические трубочки отсеивающие все вещества кроме воды, просто по размеру частиц и молекул. Никаких ионообменных смол или активированного угля или прочих расходников. Или множества слоев в которых накапливаются(и застревают) загрязнения.
Читал где-то с год-полтора назад про разработку (и тестирование) фильтров работающих по сходному принципу, правда не на нано уровне. Там вместо плоской мембраны с микроскопическими отверстиями (классические фильтры) разработчики использовали «лес» из трубочек, проходящих сквозь относительно толстую непроницаемую стенку разделающию емкость с чистой и грязной водой — у них это было пустотелое стекловолокно(как жилы в волоконно-оптическом кабеле) в стенках которого были проделаны крайне маленькие отверстия (их получали каким-то хитрым методом химического травления этих стеклянных трубочек). Ионы солей через них еще проходили (т.е. для опреснения не годятся), а вот любые механические загрязнения, микроорганизмы и практически все органические молекулы не проходили из-за размера.
Чистилось это все после отфильтровывания большого количества грязи весьма просто — приложением обратного давления (со стороны чистой воды, а не грязной, т.е. вода из трубочек наоборот выходила наружу как из лейки «душа») и дальше просто промыванием чистой водой стороны с которой обычно подается грязная.
После чего можно было подавать снова прямое давление и фильтровать дальше.
Из минусов было:
1. сложности в производстве — нужно идеально выдерживать параметры «травления» трубочек, малейшее отклонение и дырочки получались либо слишком большими (пропускают часть загрязнений) либо слишком маленькими (производительность резко падает)
2. относительно невысокая производительность даже при нормальном изготовлении (впрочем это для всех подобных фильтров актуально)
3. хрупкость трубочек к механическим нагрузкам — они иногда лопаются(ломаются) при значительном изгибе или ударе, открывается внутренняя полость трубочки (которая во много раз больше чем диаметр дырочек протравленных в ее стенках) и через нее начинают проходит загрязнения. Т.е. необратимая деградация фильтра.
Если сделать подобный «лес» уже из нанотрубок, то сразу решаются несколько проблем:
1. внутренний диаметр нанотрубок всегда один и тот же фиксированный, независимо от способа их получения. Т.е. у фильтра будет всегда стабильный и гарантированный класс очистки.
2. у нанотрубок очень большая механическая прочность и на разрыв и на изгиб — так что вопрос с хрупкостью и механической деградацией снимается. Да и даже если некоторые трубочки все же «порвутся» это совершенно не проблема — диаметр у них все-равно по всей длине одинаковый, так что поврежденные трубочки на качестве фильтрации не будут сказываться. И периодически промывать от загрязнений проще — если не бояться повредить трубочки, можно просто струей воды под давлением все быстро смывать.
А самый большой минус — считалось что любой подобный фильтр, где вода течет внутри нанотрубок будет иметь настолько низкую производительность, что не пригоден для практического применения и интересен только для экспериментов/лабораторий. Об этой стороне как раз статья.worldmind
16.11.2015 10:08Чистка обратным давлением это похоже на нормальный вариант, но не уверен что будет так просто — может поприлипать
Breathe_of_fate
Здорово! К слову, я работал с китайцем в лаборатории (нанотехнологии тоже), головастый парень. Собственно, очень много разработок касаемо нанотехнологий как раз в Китае происходит. Графен — вообще удивительная вещь: поглощает радиацию, что ЭМ-излучение, прекрасный проводник, может армировать материал… И при этом — он фактически под ногами, да и получение его не такое уж и трудное, т.е. технологический процесс теоретически при должной поддержке можно организовать.
У каждого материала есть наночастицы. К сожалению, проще сказать что изучено, чем не изучено.
Грустно осознавать, что в нашей стране открытия такого масштаба скорее всего не будет — все молодые мозги идут туда, где платят хорошо, а наше единственное Роснано — мыльный пузырь.