Ligesom biologiske kanaler, grafenporer er selektive for visse typer ioner

Overfladen af ​​en enkelt celle indeholder hundredvis af bittesmå porer, eller ionkanaler, som hver især er en portal for specifikke ioner. Ionkanaler er typisk omkring 1 nanometer brede; ved at opretholde den rette balance af ioner, de holder celler sunde og stabile.

Nu har forskere ved MIT skabt bittesmå porer i enkelte ark grafen, der har en række præferencer og egenskaber, der ligner dem for ionkanaler i levende celler.

Hver grafenpore er mindre end 2 nanometer bred, hvilket gør dem til de mindste porer, hvorigennem forskerne nogensinde har studeret ionstrøm. Hver er også unikt selektiv, foretrækker at transportere visse ioner frem for andre gennem grafenlaget.

"Det, vi ser, er, at der er en masse forskellighed i disse porers transportegenskaber, hvilket betyder, at der er et stort potentiale for at skræddersy disse porer til forskellige applikationer eller selektiviteter, " siger Rohit Karnik, en lektor i maskinteknik ved MIT.

Karnik siger, at grafen-nanoporer kunne være nyttige som sensorer - f.eks. påvisning af kviksølvioner, kalium, eller fluor i opløsning. Sådanne ion-selektive membraner kan også være nyttige i minedrift:I fremtiden, det kan være muligt at lave grafen nanoporer, der er i stand til at sigte spormængder af guldioner fra andre metalioner, som sølv og aluminium.

Karnik og tidligere kandidatstuderende Tarun Jain, sammen med Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier, og Sean O'Hern fra MIT og Juan-Carlos Idrobo fra Oak Ridge National Laboratory, offentliggør deres resultater i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Dynamisk personlighed

I levende celler, mangfoldigheden af ​​ionkanaler kan opstå fra størrelsen og det præcise atomarrangement af kanalerne, som er lidt mindre end de ioner der strømmer igennem dem.

"Når nanoporer bliver mindre end den hydrerede størrelse af ionen, så begynder du at se interessant adfærd dukke op, " siger Jain.

I særdeleshed, hydrerede ioner, eller ioner i opløsning, er omgivet af en skal af vandmolekyler, der klæber til ionen, afhængig af dens elektriske ladning. Hvorvidt en hydreret ion kan presse sig gennem en given ionkanal afhænger af den kanals størrelse og konfiguration på atomskalaen.

Karnik ræsonnerede, at grafen ville være et passende materiale til at skabe kunstige ionkanaler i:Et ark grafen er et ultratyndt gitter af kulstofatomer, der er et atom tykt, så porer i grafen er defineret på atomær skala.

For at skabe porer i grafen, gruppen brugte kemisk dampaflejring, en proces, der typisk bruges til at fremstille tynde film. I grafen, processen skaber naturligt små defekter. Forskerne brugte processen til at generere nanometer-store porer i forskellige ark grafen, som lignede ultratynd schweizerost.

Forskerne isolerede derefter individuelle porer ved at placere hvert grafenark over et lag siliciumnitrid, der var blevet punkteret af en ionstråle, hvis diameter er lidt mindre end afstanden mellem grafenporerne. Gruppen begrundede, at alle ioner, der strømmer gennem to-lags opsætningen, sandsynligvis ville have passeret først gennem en enkelt grafenpore, og derefter gennem det større siliciumnitridhul.

Gruppen målte strømme af fem forskellige saltioner gennem flere grafenpladeopsætninger ved at påføre en spænding og måle strømmen, der strømmer gennem porerne. Strømspændingsmålingerne varierede meget fra pore til pore, og fra ion til ion, med nogle porer, der forbliver stabile, mens andre svingede frem og tilbage i konduktans - en indikation af, at porerne var forskellige i deres præferencer for at tillade visse ioner igennem.

"Det billede, der tegner sig, er, at hver pore er forskellig, og at porerne er dynamiske, "Karnik siger. "Hver pore begynder at udvikle sin egen personlighed."

Ny grænse

Karnik og Jain udviklede derefter en model til at fortolke målingerne, og brugte det til at oversætte eksperimentets målinger til estimater af porestørrelse. Baseret på modellen, de fandt ud af, at diameteren af ​​mange af porerne var under 1 nanometer, hvilket – i betragtning af grafenets enkeltatomtykkelse – gør dem til de mindste porer, som forskerne har studeret ionstrømmen igennem.

Med modellen, gruppen beregnede effekten af ​​forskellige faktorer på poreadfærd, og fandt ud af, at den observerede poreadfærd blev fanget af tre hovedkarakteristika:en pores størrelse, dens elektriske ladning, og positionen af ​​denne ladning langs en pores længde.

Ved dette, forskere kan en dag være i stand til at skræddersy porer på nanoskala for at skabe ion-specifikke membraner til applikationer som miljøføling og spormetalminedrift.

"Det er en slags ny grænse inden for membranteknologier, og ved at forstå transport gennem disse virkelig små porer i ultratynde materialer, " siger Karnik.