Природа снова подсказала человечеству эффективное решение для фильтрации загрязненной воды. Исследователи из Массачусетского технологического университета (MIT) разработали принципиально новый подход к фильтрации воды, позаимствовав уникальный механизм питания у морских скатов мобула. Эти морские гиганты, питаясь планктоном, демонстрируют поразительную эффективность в извлечении микроскопических частиц из воды, и именно этот механизм стал отправной точкой для разработки нового поколения фильтров.
Масштабное исследование, проведенное под руководством Аннетт Хосой и Синью Мао, началось во время пандемии с целью улучшения масок для лица. Однако по мере развития проекта фокус сместился в сторону более широкого изучения принципов биологической фильтрации, применяемых различными животными. Скаты-мобулы, включая манты и морских дьяволов, привлекли особое внимание благодаря своей уникальной системе питания. Они пропускают огромные объемы воды через ротовую полость, где специальные гребенчатые пластины задерживают планктон, служащий им пищей. Ключевой момент исследования, как отметил Мао, заключается в поиске оптимального баланса между проницаемостью фильтра, то есть скоростью пропускания воды, и его селективностью – способностью задерживать мельчайшие частицы. Слишком большие отверстия сделают фильтр бесполезным, пропуская загрязнения, а слишком маленькие – резко снизят его производительность.
Уникальная анатомия ротовой полости скатов, оснащенная гребневидными пластинами, оказалась поразительно похожа на промышленные фильтры, где жидкость под давлением проходит через мембраны, отделяя твердые частицы. Чтобы лучше понять, как скаты достигают столь высокой эффективности фильтрации, исследователи создали упрощенную модель, имитирующую их ротовую полость. В качестве «рта ската» выступил канал из акриловых пластин с напечатанными на 3D-принтере структурами, повторяющими гребни скатов. Прокачивая воду через эту модель с разной скоростью, ученые обнаружили интересный эффект: на высоких скоростях потока воды между гребнями возникали микроскопические вихри. Эти вихри, как объяснила Хосой, не препятствуют прохождению воды, но эффективно отталкивают частицы загрязнений, направляя их вглубь канала и предотвращая их прохождение через фильтр.
Исследователи предположили, и это подтвердилось в ходе работы, опубликованной в престижном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, что скаты-мобулы интуитивно регулируют скорость своего плавания, чтобы создавать эти самые вихри, позволяющие им улавливать даже самые мелкие частицы планктона, размеры которых меньше расстояния между зубцами их природного «фильтра». Этот принцип и лег в основу разработки нового типа фильтра для воды. Ученые подобрали оптимальный диаметр пор и расстояние между ними, учитывая желаемую скорость потока воды, опираясь на данные, полученные в ходе изучения скатов. Разработанные ими рекомендации позволят создавать фильтры, способные эффективно очищать воду от широкого спектра загрязнений. Команда MIT уверена, что их открытие откроет новые горизонты в области водоочистки, делая ее более эффективной, доступной и безопасной для всех. В перспективе, эта технология может найти применение не только в системах водоснабжения, но и в различных промышленных процессах, где требуется высокоэффективная фильтрация жидкостей.
