Små rør bevæger sig ind i den hurtige bane

For første gang, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har vist, at kulstof nanorør så små som otte tiendedele af en nanometer i diameter kan transportere protoner hurtigere end bulkvand, i en størrelsesorden.

Forskningen validerer en 200 år gammel mekanisme for protontransport.

En nanometer er en milliardtedel af en meter. Til sammenligning, diameteren af ​​et menneskehår er 20, 000 nanometer.

Transporthastighederne i disse nanorørporer, som danner endimensionelle vandtråde, også overstige de biologiske kanaler og menneskeskabte protonledere, gør kulstofnanorør til den hurtigste kendte protonleder. Forskningen vises i den avancerede onlineudgave af tidsskriftet den 4. april Natur nanoteknologi .

Praktiske anvendelser omfatter protonudvekslingsmembraner, protonbaseret signalering i biologiske systemer og det nye område af protonbioelektronik (protonik).

"Det fede ved vores resultater er, at vi fandt ud af, at når du presser vand ind i nanorøret, protoner bevæger sig gennem det vand endnu hurtigere end gennem normalt (bulk)vand, " sagde Aleksandr Noy, en LLNL biofysiker og en hovedforfatter af papiret. (Massevand svarer til, hvad du ville finde i en kop vand, der er meget større end størrelsen af ​​et enkelt vandmolekyle).

Ideen om, at protoner rejser hurtigt i løsninger ved at hoppe langs kæder af hydrogenbundne vandmolekyler, går 200 år tilbage fra Theodore von Grotthuss' arbejde og er stadig grundlaget for den videnskabelige forståelse af protontransport. I den nye forskning, LLNL-forskere brugte kulstofnanorørporer til at opstille vandmolekyler i perfekte endimensionelle kæder og viste, at de tillader protontransporthastigheder at nærme sig de ultimative grænser for Grotthuss transportmekanisme.

"Muligheden for at opnå hurtig protontransport ved at ændre graden af ​​vandindeslutning er spændende, sagde Noy. Indtil videre, de menneskeskabte protonledere, såsom polymer Nafion, bruge et andet princip til at forbedre protontransporten. Vi har efterlignet den måde, biologiske systemer forbedrer protontransporten på, tog det til det yderste, og nu indser vores system den ultimative grænse for protonledningsevne i en nanopore."

Af alle menneskeskabte materialer, de snævre hydrofobe indre porer af kulstofnanorør (CNT) holder mest løfte om at levere niveauet af indeslutning og svage interaktioner med vandmolekyler, der letter dannelsen af ​​endimensionelle hydrogenbundne vandkæder, der forbedrer protontransport.

Tidligere molekylær dynamiske simuleringer viste, at vand i kulstofnanorør med en diameter på 0,8 nm ville skabe sådanne vandledninger og forudsagde, at disse kanaler ville udvise protontransporthastigheder, der ville være meget hurtigere end bulkvands. Ramya Tunuguntla, en LLNL postdoc-forsker og den første forfatter på papiret, sagde, at på trods af en betydelig indsats i kulstof-nanorørtransportundersøgelser, disse forudsigelser viste sig at være svære at validere, hovedsageligt på grund af vanskelighederne med at skabe CNT-porer med en diameter på under 1 nm.

Imidlertid, Lawrence Livermore-teamet sammen med kolleger fra Lawrence Berkeley National Lab og UC Berkeley var i stand til at skabe et simpelt og alsidigt eksperimentelt system til at studere transport i ultrasmalle CNT-porer. De brugte carbon nanorør poriner (CNTP'er), en teknologi de udviklede tidligere på LLNL, som bruger kulstof nanorør indlejret i lipidmembranen til at efterligne biologisk ionkanalfunktionalitet. Det vigtigste gennembrud var skabelsen af ​​nanorørporiner med en diameter på mindre end 1 nm, hvilket gjorde det muligt for forskere for første gang at opnå ægte endimensionel vandindeslutning.