Die schnellste „Wasser-Rutsche“ der Welt

Bild: Ryan Chen / LLNL

Körperzellen tauschen Wasser mit ihrer Umgebung durch spezielle Kanäle in der Zellwand aus. Diese sogenannten Aquaporine waren bisher das schnellste bekannte Wassertransportsystem. Bis jetzt: Denn Wissenschaftler vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien (USA) haben Kohlenstoff-Nanoröhren entwickelt, die Wasser sechs mal schneller transportieren als das Vorbild aus der Natur.

Abgeschaut und übertroffen

Die Forscher um Dr. Alexandr Noy nutzten einen Trick, den sie den Aquaporinen abschauten: Denn die natürlichen Kanäle sind mit einem Durchmesser von 0,3 Nanometern außerordentlich dünn. Gleichzeitig ist die Innenwand der Kanäle wasserabweisend. Durch diese beiden Eigenschaften gleiten die Wassermoleküle in einer Reihe durch den Transportkanal. Dieses System versuchten die Wissenschaftler nachzubauen, indem sie Kohlenstoff-Nanoröhren als Kanäle verwendeten. Ihre Nanoröhren hatten mit 0,8 Nanometern zwar einen größeren Durchmesser als das natürliche Vorbild, dafür aber war die innere Oberfläche wesentlich glatter und regelmäßiger geformt.

Die Nanoröhrchen (Carbon Nanotube Porins, CNTPs) durchbohren die Lipid-Membran eines Vesikels (Large Unilamellar Vesicle, LUV). Das Salz (Pyranin) außerhalb des Vesikels kann nicht durch die Röhrchen nach innen. Es entsteht ein osmotischer Druck, der die Wassermoleküle durch die Nanoröhrchen aus dem Vesikel heraus bewegt. Bild: Ramya H. Tunuguntla et al., Science 2017, (357), 792

Die Wissenschaftler benutzten die Nanoröhren als Transportkanäle durch die Wandungen von sogenannten Vesikeln, kleinen Lipid-Bläschen, wie sie auch in Zellen vorkommen. Als Antriebskraft für das Wasser diente der osmotische Druck: Außerhalb der Vesikel war ein Salz gelöst, das nicht durch die Nanoröhren passte. In der Folge wurden die Wassermoleküle durch die Nanoröhren aus den Vesikeln heraus gezogen. Die Vesikel selbst schrumpften dabei. Diese Verkleinerung beobachteten die Wissenschaftler und konnten so die Geschwindigkeit des Wassertransports berechnen. Ihren Geschwindigkeitsrekord berichten die Forscher im Fachblatt Science.

Die Meerwasser-Entsalzung der Zukunft?

Die Wissenschaftler erhoffen sich, dass mit ihrer „Wasser-Rutsche“ in Zukunft Salz besser aus Meerwasser entfernt werden kann. Wie realistisch das ist, ist allerdings fraglich. Denn bei diesem Verfahren, der Umkehrosmose, wandert das Wasser nicht durch eine Membran zum Salz hin, sondern wird mit großem Aufwand davon getrennt. Es muss also gegen den osmotischen Druck gearbeitet werden, was stabile Membranen mit großer Oberfläche voraussetzt. Solche Membranen gibt es zwar, aber bis in ihnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen das Wasser transportieren, wird es wohl noch etwas dauern.

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