Syntetiske nanorør lægger grundlaget for ny teknologi:Kunstige porer efterligner nøgletræk ved naturlige porer

(Phys.org) -- Forskere har overvundet vigtige designhindringer for at udvide den potentielle anvendelse af nanoporer og nanorør. Skabelsen af ​​smarte nanorør med selektiv massetransport åbner op for en bredere vifte af applikationer til vandrensning, kemisk adskillelse og bekæmpelse af sygdom.

Nanopores og deres sammenrullede version, nanorør, består af atomer bundet til hinanden i et sekskantet mønster for at skabe en række åbninger eller kanaler i nanometerskala. Denne struktur skaber et filter, der kan dimensioneres til at vælge, hvilke molekyler og ioner der passerer ind i drikkevand eller ind i en celle. Den samme filterteknik kan begrænse frigivelsen af ​​kemiske biprodukter fra industrielle processer.

Succeser med at fremstille syntetiske nanorør fra forskellige materialer er tidligere blevet rapporteret, men deres brug har været begrænset, fordi de nedbrydes i vand, porestørrelsen af ​​vandtætte kulstof nanorør er svær at kontrollere, og, mere kritisk, manglende evne til at samle dem i passende filtre.

Et internationalt team af forskere, med hjælp fra Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory, er lykkedes med at overvinde disse forhindringer ved at bygge selvsamlende, størrelsesspecifikke nanoporer. Denne nye evne gør det muligt for dem at konstruere nanorør til specifikke funktioner og bruge porestørrelse til selektivt at blokere specifikke molekyler og ioner.

Forskere brugte grupperinger af atomer kaldet rillede makrocykler, der deler en plan hexahenylen-ethynylenkerne, der bærer seks amidsidekæder. Gennem en cellulær selvsamlingsproces, makrocyklerne stables cofacialt, eller atom oven på atom. Hvert lag af makrocyklussen holdes sammen ved binding mellem hydrogenatomer i amidsidekæderne. Denne justering skaber en ensartet porestørrelse uanset længden af ​​nanorøret. En lille fejljustering af selv nogle få makrocykler kan ændre porestørrelsen og kompromittere nanorørets funktionalitet i høj grad.

"Det er det første syntetiske nanorør, der har en meget ensartet diameter, " sagde Xiao Cheng Zeng, en af ​​undersøgelsens seniorforfattere og en emeritusprofessor ved University of Nebraska-Lincoln.

Porestørrelserne kan justeres for at filtrere molekyler og ioner i henhold til deres størrelse ved at ændre makrocyklusstørrelsen, beslægtet med den måde, hvorpå et mellemrum kan sættes ind i en vielsesring for at få den til at passe tættere. Kanalerne er gennemtrængelige for vand, som hjælper med hurtig transmission af intercellulær information. De syntetiske nanoporer efterligner aktiviteten af ​​cellulære ionkanaler, der bruges i den menneskelige krop. Forskningen lægger grundlaget for en række spændende ny teknologi, nye måder at levere proteiner direkte ind i celler eller medicin til at bekæmpe sygdomme.

"Idéen til denne forskning stammer fra den biologiske verden, fra vores håb om at efterligne biologiske strukturer, og vi var begejstrede for resultaterne, " sagde Bing Gong, professor ved universitetet i Buffalo i New York, der ledede undersøgelsen. "Vi har skabt den første kvantitativt bekræftede syntetiske vandkanal."

"Selvsamlende subnanometer-porer med usædvanlige massetransportegenskaber" vises 17. juli i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Dette er den første demonstration af molekylær teknik til at skabe en række nanorør med ensartet porestørrelse, der tillader ion-selektiv transport for en specifik funktion, " sagde Zhonghou Cai, en videnskabsmand med Advanced Photon Source. En højenergi røntgenstråle fra en lyskilde, såsom APS, var den eneste måde at bekræfte computersimuleringer og teste det syntetiserede nanorørs ensartethed lag for lag. "Man kommer ikke ofte til at arbejde med noget så spændende."