Forskere finder ud af, at bittesmå molekyler, der passerer gennem nanorør, kan drives eller sænkes afhængigt af deres størrelse

Som en ærte, der går gennem et sugerør, små molekyler kan passere gennem mikroskopiske cylindre kendt som nanorør. Dette kan potentielt bruges til at vælge molekyler efter størrelse - f.eks. at rense vand ved at lade vandmolekyler passere, mens de blokerer salt eller andre stoffer.

Nu, forskere på MIT, Seoul University i Korea og Ursinus College i Pennsylvania har fundet ud af, at sådanne rør er mere selektive, end man havde troet:Molekyler med en præcis størrelse kan lynes fem gange hurtigere end dem, der er lidt mindre eller større. De nye fund er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation af MIT -professor Michael Strano, kandidatstuderende Wonjoon Choi og Zachary Ulissi, og tre andre.

Denne størrelsesafhængighed i nanorørtransport var fuldstændig uventet, siger Strano, professor i kemiteknik ved MIT. "Dette arbejde illustrerer, hvordan transport i porer af denne type forbliver eksotisk og relativt uudforsket, " han siger.

Teamet "kiggede på iontransport gennem de mindste enkelte nanoporer, der er blevet undersøgt, "Siger Strano. Carbon nanorørene, de undersøgte, havde bredder fra 0,9 til 2 nanometer - omkring diameteren af ​​en DNA -helix - og var omkring 1 millimeter lange.

"Det, vi fandt, blev ikke forudsagt af teori, "siger han:Op til en vis diameter, strømmen af ​​ioner gennem et nanorør steg støt - men derefter ud over den diameter, strømmen faldt. "Afhængigheden er et vulkanformet plot, "Siger Strano.

Spidsstrømmen, i midten af ​​plottet, tillader transport, der er fem gange større end transport med mindre eller større diametre. "De eksperimentelle resultater er kontraintuitive, "Strano siger, "at der ser ud til at være en optimal diameter."

Denne størrelsesafhængighed af transport kan vise sig at være nyttig i en række forskellige teknologier, foreslår han, herunder proton-exchange membran (PEM) brændselsceller, hvor ilt eller brintmolekyler skal passere gennem bittesmå porer i en membran for at producere elektricitet. En anden potentiel anvendelse er i DNA-sekventeringsenheder, hvor DNA -segmenter typisk suser gennem porerne alt for hurtigt til at blive analyseret. Den nye forståelse kan give en metode til "tuning" af transithastigheden til at bremse DNA -sekvenserne nok til analyse.

Den uventede størrelsesafhængighed skyldes to fænomener, Foreslår Strano. Ifølge en teori udviklet af teamet, der er først en attraktiv kraft, hvor ioners elektriske ladning får dem til at blive trukket af et elektrisk felt gennem poren. Da ionerne og rørene alle er nedsænket i vand, noget vand bliver også trukket med.

Op til en vis diameter, disse vandmolekyler danner et lag, eller et par lag, omkring ion og trækkes sammen med den, teamet teoretiserer. Men da åbningen bliver større, vandet opfører sig som et massemateriale, bremser ionernes passage. "Denne forklaring er i overensstemmelse med vores eksperimentelle observationer og molekylære simuleringer af vand inde i nanorør af denne type, "Strano siger-selvom han understreger, at mens dataene om ionstrømmen er klare, yderligere teoretisk arbejde er nødvendigt for fuldt ud at forstå denne proces.

Fundet kan hjælpe med at designe bedre membraner til afsaltning af vand. Det største problem med nutidens membraner er afvejningen mellem selektivitet versus strømningshastigheder:Større porer lader vandet strømme hurtigere igennem, men er mindre selektive. Nanorør 'ikke -lineære svar kan give en vej udenom det.

"Resultaterne tyder på, at ved at bruge nanoporer med en bestemt diameter, det kan være muligt at opnå maksimal selektivitet med maksimal gennemstrømning "ved at optimere porestørrelsen, Siger Strano.

Arbejdet kan også føre til nye sensorer, der er i stand til at detektere specifikke forurenende stoffer i vand, siger teamet. For eksempel, arsenforurening af grundvand er en alvorlig sundhedsmæssig bekymring i nogle regioner, men der er ingen pålidelig måde at teste arsenkoncentrationer i vand. Selektiviteten af ​​nanorør gør det muligt at designe en simpel detektor, der kan måle en sådan forurening, Siger Strano.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.