Forskere observerer enkelte ioner, der bevæger sig gennem en lille carbon-nanorørkanal

(PhysOrg.com) - For første gang, et team af MIT-kemiingeniører har observeret enkelte ioner, der marcherer gennem en lille carbon-nanorørkanal. Sådanne kanaler kan bruges som ekstremt følsomme detektorer eller som en del af et nyt vandafsaltningssystem. De kunne også give forskere mulighed for at studere kemiske reaktioner på enkeltmolekylniveau.

Carbon nanorør - små, hule cylindre, hvis vægge er gitter af carbonatomer - er omkring 10, 000 gange tyndere end et menneskehår. Siden deres opdagelse for næsten 20 år siden, forskere har eksperimenteret med dem som batterier, transistorer, sensorer og solceller, blandt andre applikationer.

I udgaven af ​​10. september af Videnskab , MIT -forskere rapporterer, at ladede molekyler, såsom natrium- og chloridioner, der dannes, når salt opløses i vand, kan ikke kun flyde hurtigt gennem carbon nanorør, men kan også, under visse betingelser, gør det én ad gangen, som mennesker, der skiftes til at krydse en bro. Undersøgelsen blev ledet af lektor Michael Strano.

Det nye system tillader passage af meget mindre molekyler, over større afstande (op til en halv millimeter), end nogen eksisterende nanokanal. I øjeblikket, den mest almindeligt studerede nanokanal er en silicium -nanopore, lavet ved at bore et hul gennem en siliciummembran. Imidlertid, disse kanaler er meget kortere end de nye nanorørskanaler (nanorørene er omkring 20, 000 gange længere), så de tillader kun passage af store molekyler såsom DNA eller polymerer - noget mindre ville bevæge sig for hurtigt til at blive opdaget.

Strano og hans medforfattere-nylig ph.d.-modtager Chang Young Lee, kandidatstuderende Wonjoon Choi og postdoktor Jae-Hee Han-byggede deres nye nanokanal ved at dyrke et nanorør på tværs af en centimeter-til-en-centimeter tallerken, forbinder to vandreservoirer. Hvert reservoir indeholder en elektrode, en positiv og en negativ. Fordi elektricitet kun kan strømme, hvis protoner - positivt ladede hydrogenioner, som udgør den elektriske strøm - kan bevæge sig fra den ene elektrode til den anden, forskerne kan let afgøre, om ioner rejser gennem nanorøret.

De fandt ud af, at protoner flyder støt hen over nanorøret, bærer en elektrisk strøm. Protoner flyder let gennem nanokanalen, fordi de er så små, men forskerne observerede, at andre positivt ladede ioner, såsom natrium, kan også komme igennem, men kun hvis der bruges tilstrækkeligt elektrisk felt. Natriumioner er meget større end protoner, så de tager længere tid at krydse, når de kommer ind. Mens de rejser over kanalen, de blokerer protoner for at flyde, hvilket fører til en kort forstyrrelse i strømmen kendt som Coulter -effekten.

Strano mener, at kanalerne kun tillader positivt ladede ioner at strømme gennem dem, fordi enderne af rørene indeholder negative ladninger, som tiltrækker positive ioner. Imidlertid, han planlægger at bygge kanaler, der tiltrækker negative ioner ved at tilføje positive ladninger til røret.

Når først forskerne har disse to typer kanaler, de håber at integrere dem i en membran, der også kan bruges til afsaltning af vand. Mere end 97 procent af Jordens vand er i havene, men det store reservoir er udrikkeligt, medmindre saltet fjernes. De nuværende afsaltningsmetoder, destillation og omvendt osmose, er dyre og kræver masser af energi. Så en nanorørsmembran, der tillader både natrium- og chloridioner (som er negativt ladede) at strømme ud af havvand, kan blive en billigere måde at afsaltes vand på.

Denne undersøgelse markerer første gang, at individuelle ioner opløst i vand er blevet observeret ved stuetemperatur. Det betyder, at nanokanalerne også kan registrere urenheder, såsom arsen eller kviksølv, i drikkevand. (Ioner kan identificeres ved, hvor lang tid det tager dem at krydse kanalen, som afhænger af deres størrelse). "Hvis en enkelt arsenion flyder i opløsning, du kunne opdage det, ”Siger Strano.