Vand komprimeres under et højt gradient elektrisk felt

Den moderne civilisation er afhængig af vandets inkomprimerbarhed - det er noget, vi tager for givet. Hydrauliske systemer udnytter den virtuelle ikke-komprimerbarhed af væsker som vand eller olie for at formere mekanisk kraft. Bulldozere, kraner, og andre tunge maskiner udnytter hydraulikens fysik, ligesom bilbremser, brandsprinkleranlæg, og kommunale vand- og affaldssystemer. Det kræver ekstraordinært tryk at komprimere vand. Selv i bunden af ​​de dybeste oceaner, to og en halv kilometer under overfladen, hvor trykket er lig med omkring 1000 atmosfærer, vand komprimeres kun med 5 procent.

Men nu har forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign forudsagt ny fysik, der regulerer komprimering af vand under et elektrisk højfelt.

Fysikprofessor Aleksei Aksimentiev og hans postdoktorforsker James Wilson fandt ud af, at et højt elektrisk felt, der blev påført et lille hul i en grafenmembran, ville komprimere vandmolekylerne, der rejser gennem poren, med 3 procent. Den forudsagte vandkomprimering kan i sidste ende vise sig nyttig i højpræcisionsfiltrering af biomolekyler til biomedicinsk forskning.

Disse resultater blev offentliggjort den 26. juni 2018, i Fysisk gennemgangsbreve (120, 268101) som et redaktionsforslag.Aksimentiev bemærkninger, "Dette er et uventet fænomen, i modsætning til, hvad vi troede, vi vidste om nanopore transport. Det tog tre år at finde ud af, hvad det var simuleringerne viste os. Efter at have undersøgt mange mulige løsninger, gennembruddet kom, da vi indså, at vi ikke skulle antage, at vand er inkomprimerbart. Nu hvor vi forstår, hvad der sker i computersimuleringerne, vi er i stand til at gengive dette fænomen i teoretiske beregninger. "

Forskerne foretog denne undersøgelse for at teste nye metoder til grafen-nanopore DNA-sekventering. I løbet af de sidste par år, grafen -nanoporer har vist et enormt løfte om billig DNA -sekventering. Sådan fungerer det, DNA suspenderes i vand og derefter DNA, vand og ioner trækkes af et elektrisk felt gennem et lille hul i en grafenmembran. Det elektriske felt påført over grafenarket tiltrækker de opløste ioner og eventuelle ladede partikler - DNA er en negativt ladet partikel. DNA'ets fire nukleobaser læses som forskellene i ionstrømmen, som hver særpræget formet nukleobase producerer.

Hullets størrelse og tyndheden af ​​arket er afgørende for denne metode. Grafenarket er kun et atom tykt, nanoporens diameter måler kun ca. 3 nanometer eller bredden på 10 atomer, og DNA -molekylerne måler cirka 2 nanometer i bredden.

I dette studie, Aksimentiev og Wilson satte sig for at udvikle en beregningsmodel, der ville give dem mulighed for at kontrollere hastigheden af ​​transport af DNA gennem en grafen -nanopore. De vidste, at forøgelse af det anvendte elektriske felt skulle øge transporthastigheden med det samme multiplum, men da de forstørrede feltet ti gange, DNA'et blev fuldstændig blokeret for at passere gennem hullet.

Wilson beskriver, hvad han så i simuleringen:"Vi forsøgte at se, om vi ændrede ladningen på grafenarket, om det ville ændre fangsthastigheden af ​​DNA'et som forudsagt. Vores simuleringer viste, at DNA'et går gennem nanoporen som forventet ved lavere elektriske felter, men når du anvender 1 volt, DNA'et ser ud til at danse over nanoporen - som om det vil gå igennem, men af ​​en eller anden grund kan det ikke.

"Det viser sig, at gradienten af ​​det elektriske felt er det, der komprimerer vandet, fordi vand er et dielektrikum. Et meget højt elektrisk felt vil ikke gøre dette, kun et felt, der ændrer sig over rummet. Ladningerne på vandmolekylet stemmer overens med det elektriske felt, og de ladninger, der er tættere på, hvor det elektriske felt er højest, trækkes hårdere end ladningerne tættere på, hvor det elektriske felt er svagest. "

Aksimentiev tilføjer, "Alt dette virker kun, fordi membranen er så tynd, og det elektriske felt er fokuseret, hvor membranen er, komprimering af vandmolekylet fra begge sider. Komprimeringen er kun 3 procent, but that pressurizes the water—it's equivalent to 100 atmospheres—and the pressure basically pushes the DNA back so that it cannot travel through the nanopore."Wilson continues, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."