Små kanaler bærer stor information

De siger, at det er de små ting, der tæller, og det gælder bestemt for kanalerne i transmembrane proteiner, som er små nok til at tillade ioner eller molekyler af en vis størrelse at passere igennem, mens du holder større genstande ude. Kunstige fluidiske nanokanaler, der efterligner transmembrane proteiners evner, er højt værdsatte for en række avancerede teknologier. Imidlertid, det har været svært at lave individuelle kunstige kanaler af denne størrelse – indtil nu.

Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har været i stand til at fremstille nanokanaler, der kun er to nanometer (2-nm) i størrelse, ved hjælp af standard halvlederfremstillingsprocesser. De har allerede brugt disse nanokanaler til at opdage, at væskemekanikken for så små passager adskiller sig væsentligt ikke kun fra kanaler i bulkstørrelse, men selv fra kanaler, der kun er 10 nanometer store.

"Vi var i stand til at studere iontransport i vores 2-nm nanokanaler ved at måle tids- og koncentrationsafhængigheden af ​​ionkonduktansen, " siger Arun Majumdar, Direktør for DOE's Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), som ledede denne forskning, mens han stadig var videnskabsmand ved Berkeley Lab. "Vi observerede en meget højere hastighed af proton- og ionmobilitet i vores afgrænsede hydratiserede kanaler - op til en firedobling i forhold til større nanokanaler (10-til-100 nm). Denne forbedrede protontransport kunne forklare den høje gennemstrømning af protoner i transmembranen. kanaler."

Majumdar er medforfatter med Chuanhua Duan, medlem af Majumdars forskningsgruppe ved University of California (UC) Berkeley, af et papir om dette arbejde, som blev offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi . Artiklen har titlen "Anomal iontransport i 2-nm hydrofile nanokanaler."

I deres papir, Majumdar og Duan beskriver en teknik, hvor højpræcisions-ionætsning kombineres med anodisk binding for at fremstille kanaler af en specifik størrelse og geometri på en silicium-på-glas-matrice. For at forhindre kanalen i at kollapse under de stærke elektrostatiske kræfter fra den anodiske bindingsproces, et tykt (500 nm) oxidlag blev afsat på glassubstratet.

"Dette afsætningstrin og det følgende bindingstrin garanterede en vellykket kanalforsegling uden at kollapse, " siger Duan. "Vi skulle også vælge den rigtige temperatur, spænding og tidsperiode for at sikre perfekt binding. Jeg sammenligner processen med at tilberede en bøf, du skal vælge det rigtige krydderi samt det rigtige tidspunkt og temperatur. Aflejringen af ​​oxidlaget var det rigtige krydderi for os."

De nanometerstore kanaler i transmembrane proteiner er afgørende for at kontrollere strømmen af ​​ioner og molekyler på tværs af de ydre og indre vægge af en biologisk celle, hvilken, på tur, er kritiske for mange af de biologiske processer, der opretholder cellen. Ligesom deres biologiske modstykker, fluidiske nanokanaler kan spille en afgørende rolle i fremtiden for brændselsceller og batterier.

"Forbedret iontransport forbedrer energitætheden og den praktiske energitæthed for brændselsceller og batterier, " siger Duan. "Selvom den teoretiske energitæthed i brændselsceller og batterier bestemmes af de aktive elektrokemiske materialer, den praktiske energitæthed er altid meget lavere på grund af internt energitab og brugen af ​​inaktive komponenter. Forbedret iontransport kan reducere intern modstand i brændselsceller og batterier, hvilket ville reducere det interne energitab og øge den praktiske energitæthed."

Resultaterne af Duan og Majumdar indikerer, at iontransport kunne forbedres væsentligt i 2-nm hydrofile nanostrukturer på grund af deres geometriske begrænsninger og høje overfladeladningstætheder. Som et eksempel, Duan citerer separatoren, komponenten placeret mellem katoden og anoden i batterier og brændselsceller for at forhindre fysisk kontakt mellem elektroderne og samtidig muliggøre fri iontransport.

"Nuværende separatorer er for det meste mikroporøse lag, der består af enten en polymer membran eller ikke-vævet stofmåtte, " Duan siger. "En uorganisk membran indlejret med en række 2-nm hydrofile nanokanaler kunne bruges til at erstatte strømseparatorer og forbedre praktisk effekt og energitæthed."

De 2-nm nanokanaler lover også for biologiske anvendelser, fordi de har potentialet til at blive brugt til direkte at kontrollere og manipulere fysiologiske løsninger. Nuværende nanofluidiske enheder bruger kanaler, der er 10-100 nm store til at adskille og manipulere biomolekyler. På grund af problemer med elektrostatiske interaktioner, disse større kanaler kan fungere med kunstige opløsninger, men ikke med naturlige fysiologiske opløsninger.

"For fysiologiske opløsninger med typiske ioniske koncentrationer på cirka 100 millimolarer, Debye screeningslængden er 1 nm, " siger Duan. "Da elektriske dobbeltlag fra to-kanals overflader overlapper hinanden i vores 2-nm nanokanaler, alle nuværende biologiske applikationer fundet i større nanokanaler kan overføres til 2-nm nanokanaler for rigtige fysiologiske medier."

Det næste skridt for forskerne bliver at studere transporten af ​​ioner og molekyler i hydrofile nanorør, der er endnu mindre end 2-nm. Iontransport forventes at blive yderligere forbedret af den mindre geometri og stærkere hydreringskraft.

"Jeg er ved at udvikle en uorganisk membran med indlejret sub-2 nm hydrofilt nanorør-array, der vil blive brugt til at studere iontransport i både vandige og organiske elektrolytter, siger Duan. "Den vil også blive udviklet som en ny type separator til lithium-ion-batterier."