Diseñar mejores filtros de agua con IA

Un estudio demuestra la utilidad de la IA para desarrollar membranas de depuración de aguas con propiedades novedosas

07.12.2022 - Estados Unidos

Incluso los mejores filtros de agua dejan pasar algunas cosas, pero diseñar materiales mejorados y probarlos después lleva mucho tiempo y es difícil. Ahora, investigadores de ACS Central Science informan de que la inteligencia artificial (IA) podría acelerar el desarrollo de materiales prometedores. En un estudio de prueba de concepto, simularon diferentes patrones de grupos que atraen y repelen el agua que recubren la membrana porosa de un filtro y hallaron disposiciones óptimas que deberían dejar pasar el agua con facilidad y frenar algunos contaminantes.

Los sistemas de filtrado, desde los que se instalan en los grifos hasta los industriales, limpian el agua para beber y otros usos. Sin embargo, las membranas de filtración actuales tienen dificultades si el agua está muy sucia o contiene moléculas pequeñas y neutras, como el ácido bórico, un insecticida habitual en los cultivos. Esto se debe a que los materiales porosos sintéticos suelen limitarse a clasificar los compuestos por tamaño o carga. Pero las membranas biológicas tienen poros formados por proteínas, como la acuaporina, que pueden separar el agua de otras moléculas tanto por tamaño como por carga debido a los distintos tipos de grupos funcionales, o conjuntos de átomos, que recubren los canales. Inspirados por la idea de hacer lo mismo con un material poroso sintético, M. Scott Shell y sus colegas quisieron diseñar por ordenador el interior de un poro de nanotubo de carbono para filtrar agua que contuviera ácido bórico.

Los investigadores simularon un canal de nanotubos de carbono con grupos hidroxilo (que atraen el agua) y/o metilo (que la repelen) unidos a cada átomo de la pared interior. A continuación, diseñaron y probaron miles de patrones de grupos funcionales con algoritmos de optimización y aprendizaje automático, un tipo de IA, para evaluar la rapidez con la que el agua y el ácido bórico atravesarían el poro. Esto es lo que descubrieron:

Los patrones óptimos tenían una o dos filas de grupos hidroxilo intercalados entre grupos metilo, formando anillos alrededor de la sección media del poro.
En estas simulaciones, el agua atravesaba el poro casi el doble de rápido que el ácido bórico.
Otra serie de simulaciones demostró que otros solutos neutros, como el fenol, el benceno y el isopropanol, también podían separarse del agua con los diseños optimizados de nanotubos de carbono.

Este estudio demuestra la utilidad de la IA para desarrollar membranas de purificación de agua con propiedades novedosas, afirman los investigadores, y podría constituir la base de un nuevo tipo de sistema de filtrado. Añaden que el método podría adaptarse al diseño de superficies con interacciones únicas con el agua u otras moléculas, como recubrimientos resistentes a las incrustaciones.

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