World Community Grid y los investigadores en el recién establecido Centro para la Nueva Mecánica Multidisciplinar de la Universidad Tsinghua están trabajando para comprender las propiedades de escala molecular de una nueva clase de materiales eficientes y económicos para filtrar agua, que pueden ayudar a atender la necesidad de agua barata, limpia y potable en los países en vías de desarrollo.
Es frecuente comparar el agua limpia con el aceite como un recurso limitado que a menudo ha sido desperdiciado en las últimas décadas y cuya producción se encarece cada vez más. Las fuentes de agua limpia, específicamente acuíferos subterráneos, se están agotando a una velocidad alarmante en muchas regiones del mundo. Como la población mundial crece, esta situación sólo se agrava y puede empeorar con el cambio climático.
De acuerdo a un reciente informe especial sobre agua en The Economist, la cantidad de personas que viven en países que sufren permanentemente con la falta de agua se elevará del 8% de la población mundial a comienzos del siglo 21 al 45% en 2050, lo que representará 4 mil millones de personas.
Aunque todo estudiante sepa que nuestro planeta está cubierto predominantemente por agua, más de 97% de esta agua es salada y sólo puede transformarse en agua potable por medio de un caro proceso de desalinización. Del aproximadamente 3% del agua que no es salada, el 70% está congelada en los polos. Así, con excepción de la vida marina, todos los animales del planeta tienen que sobrevivir con menos de 1% del agua disponible en el planeta.
En las regiones del mundo donde el agua es escasa y la densidad de población es alta, la falta de acceso al agua potable es la principal causa de enfermedades, como diarrea que, a su vez, puede causar desnutrición. Y la desnutrición infantil está relacionada con problemas de salud durante toda la vida que afectan la productividad de las personas. Se estima que el impacto de la diarrea a largo plazo puede alcanzar del 4% al 5% de GDP en algunos países.
Como resultado de ello, una gran cantidad de científicos están centrando su atención en las nuevas maneras de producir agua potable a partir de agua contaminada o salada. Normalmente la purificación del agua involucra varias etapas que se pueden fundamentar en principios que son físicos (filtros de arena), químicos (cloración) o biológicos (lagunas para tratamiento).
Filtración bajo presión
Un tipo común de sistema de purificación de agua se basa en la presurización del agua para forzarla a través de membranas con perforaciones microscópicas. Este es el caso de las llamadas membranas de ultrafiltración, usadas para filtrar substancias diluidas que podrían pasar a través de filtros más grandes de arena.
Éste es también el principio por detrás del proceso conocido como ósmosis inversa para producir agua dulce a partir de agua salada. La ósmosis inversa requiere presión mecánica externa para rebatir la presión osmótica que ocurre en las membranas semipermeables que le impiden a la sal pasar. En la ausencia de presión externa, se llega a un equilibrio entre el agua dulce de alta presión en un lado de la membrana y el agua salada de baja presión en el otro lado.
Normalmente, la ósmosis inversa requiere presiones de decenas de atmósferas para superar este equilibrio y mantener el agua dulce pasando a través de la membrana. Es caro producir este tipo de presiones altas y las membranas con capacidad para soportarlas. Esto explica en parte la razón por la cual la ósmosis inversa aún representa una fracción muy pequeña del agua potable producida en todo el mundo.
Nanotecnología al rescate
Nanotecnología es una palabra de moda en los campos más diversos, como electrónica, energía renovable y diagnósticos médicos. Y los nanotubos de carbono, capas atómicas de grafito común esencialmente enrolladas, el material usado en lápices, son uno de los materiales más prometedores en nanotecnología.
Una de las características más importantes de la nanotecnología es que, como los objetos y dispositivos comunes se reducen de tamaño a una escala atómica, muchas de sus propiedades no pueden ser extrapoladas más de manera simple, de macro y micro escalas, sino que las propiedades cambian de maneras radicales y a menudo muy benéficas. Este es el caso del agua que pasa a través de arreglos de nanotubos.
Normalmente, como el tamaño del poro en una membrana de ultrafiltración se reduce, de la misma manera, se reduce la velocidad en la cual el agua pasará a través del poro. De hecho, la velocidad disminuye de manera radical, apenas a la cuarta potencia del radio del poro: disminuye el tamaño del poro por la mitad y el flujo rebaja 1/16 por ciento.
Pero los primeros resultados publicados por los investigadores de la Universidad de Kentucky, en Estados Unidos, en 2005, revelaron que, para el flujo a través de membranas de nanotubos de carbono, éste no era el caso. Efectivamente, las velocidades de flujo medidas fueron de 1.000 a 10.000 veces más elevadas que la simple extrapolación de poros de tamaños más grandes habría sugerido.
Una mejora tan sorprendente sugiere que se podría ahorrar en términos de presión necesaria y, por lo tanto, la energía involucrada en empujar el agua a través filtros de nanotubos. Muchos investigadores ya están estudiando esta línea de investigación y están intentando hacer una nueva clase de filtro económico y muy eficiente.
El descubrimiento está siempre muy lejos de los dispositivos prácticos. Y una de las etapas importantes en el camino es comprender bien las causas físicas de este comportamiento mejorado de los nanotubos de carbono para utilizarlos mejor. Éste es precisamente el objeto de la investigación que se lleva a cabo en el Centro para la Nueva Mecánica Multidisciplinaria de la Universidad Tsinghua, donde las simulaciones en computadora han sido usadas para estudiar el fenómeno en la escala de moléculas individuales de agua, a través de una técnica llamada dinámica molecular.
La historia hasta ahora
Ya en 1823, el físico e ingeniero francés, Claude-Louis Navier, sugirió que bajo condiciones ideales, sería necesaria una fuerza muy lenta o 'resistencia al corte' para hacer un líquido deslizar por una superficie sólida. Es decir, el flujo se daría esencialmente sin fricción. Esta idea nunca ha sido totalmente verificada, pero las velocidades mejoradas del flujo de agua a través de membranas de nanotubos de carbono recientemente observadas sugieren que alguna forma de este efecto podría estar participando en estos sistemas.
Con las simulaciones de dinámica molecular, los investigadores de Tsinghua recientemente encontraron una relación logarítmica entre la resistencia al corte en los nanotubos y la velocidad del agua, que parece ser válida para varias suposiciones sobre las propiedades de los nanotubos de carbono y la manera en que el agua debería adherirse a ellos; las llamadas propiedades humectantes de la interfaz de agua-nanotubos.
Esta relación logarítmica parece mantener velocidades de deslizamiento hasta aproximadamente 1m/s, que representa el límite más bajo que se podría simular. Si esta relación se mantiene en velocidades mucho más bajas, una característica de las condiciones reales en experimentos donde se usan filtros de nanotubos, entonces proporcionaría una importante indicación del motivo por el cual el agua pasa tan rápidamente en los nanotubos.
A pesar de que el límite menor de velocidad estudiado por el grupo Tsinghua sea lo más bajo de cualquier estudio de dinámica molecular hasta hoy, es todavía por lo menos diez veces mayor que el límite superior del rango de velocidad del flujo experimental y varias veces mayor que las velocidades esperadas en dispositivos prácticos que usarían este efecto.
Cómo usted y World Community Grid pueden hacer la diferencia
Como el tiempo de la computadora se ajusta aproximadamente a la ley del cuadrado inverso de la velocidad de flujo, los investigadores de Tsinghua calculan que se necesite un período de 460 años en una computadora de escritorio común con un sólo procesador central para simular velocidades de flujo comparables con el límite superior medido en los experimentos. Para ampliar las simulaciones a velocidades de aproximadamente 1cm/s o menos, normal para los dispositivos prácticos, sería necesario otro factor de 400 o más en tiempo de computadora para un total de 184.000 años. Para simular un rango representativo de tamaños de poro de nanotubos de carbono sería necesario otro factor de 10 hasta 100, elevando el total de tiempo de la computadora a más de un millón de años.
Científicamente, es esencial explorar esta región de baja velocidad para comparar simulaciones directamente con el experimento, en vez de simplemente intentar extrapolar a partir de simulaciones con velocidades más elevadas. Tal extrapolación es particularmente problemática debido a la posibilidad de que ocurra el fenómeno no lineal a bajas velocidades. Por ejemplo, el fenómeno "stick-slip" ocurre en fricción sólida a medida que la velocidad disminuye y puede anticiparse para desempeñar una función en la capa de agua inmediatamente en contacto con el nanotubo de carbono, puesto que el agua forma un patrón parecido al hielo cerca de la superficie del nanotubo de carbono.
Debido a los grandes requisitos computacionales para proseguir con esta investigación, que sobrepasan por mucho las capacidades del clúster interno disponible para el equipo de Tsinghua, World Community Grid y voluntarios como usted pueden hacer una diferencia esencial ofreciendo acceso para más capacidad computacional que los investigadores podrían de alguna manera proporcionar.
El resultado de este proyecto no sólo nos permitirá comprobar los pronósticos de Navier, contribuyendo para el conocimiento fundamental sobre hidrodinámica en nanoescala, sino también ofrecería conocimiento sobre cómo optimizar más el flujo del fluido a través de membranas de nanotubo de carbono y otras formas de membranas en nanoescala.
Específicamente, el equipo de Tsinghua espera obtener una mejor comprensión física del óptimo tamaño de poro como una función de la velocidad de flujo que puede orientar la síntesis y fabricación del futuro, membranas de filtro con nanotubo de carbono altamente eficiente, así como sugerir métodos alternativos para producir sistemas de filtración de agua económicos.
