Inverse Design of Pore Wall Chemistry To Control Solute Transport and Selectivity

纳米孔 计算机科学 纳米技术 生物系统 化学 重新使用 生化工程 材料科学 工程类 生物化学 生物 废物管理
作者
Sally Jiao,Lynn E. Katz,M. Scott Shell
出处
期刊:ACS central science [American Chemical Society]
卷期号:8 (12): 1609-1617 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acscentsci.2c01011
摘要

Next-generation membranes for purification and reuse of highly contaminated water require materials with precisely tuned functionality to address key challenges, including the removal of small, charge-neutral solutes. Bioinspired multifunctional membrane surfaces enhance transport properties, but the combinatorically large chemical space is difficult to navigate through trial and error. Here, we demonstrate a computational inverse design approach to efficiently identify promising materials and elucidate design rules. We develop a combined evolutionary optimization, machine learning, and molecular simulation workflow to spatially design chemical functional group patterning in a model nanopore that enhances transport of water relative to solutes. The genetic optimization discovers nonintuitive functionalization strategies that hinder the transport of solutes through the pore, simply by patterning hydrophobic methyl and hydrophilic hydroxyl functional groups. Examining these patterns, we demonstrate that they exploit an unexpected diffusive solute hopping mechanism. This inverse design procedure and the identification of novel molecular mechanisms for pore chemical heterogeneity to impact solute selectivity demonstrate new routes to the design of membrane materials with novel functionalities. More broadly, this work illustrates how chemical design is a powerful strategy to modulate water-mediated surface-solute interactions in complex, soft material systems that are relevant to diverse technologies.
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