Simuleringer tyder på, at grafen kan strække sig til at være et afstembart ionfilter

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har udført simuleringer, der tyder på, at grafen, ud over dets mange andre nyttige funktioner, kan modificeres med specielle porer til at fungere som et justerbart filter eller si for ioner (ladede atomer) i en væske.

Konceptet, som også kan fungere med andre membranmaterialer, kunne have applikationer såsom mekaniske sensorer i nanoskala, medicin levering, vandrensning og sigter eller pumper til ionblandinger svarende til biologiske ionkanaler, som er afgørende for funktionen af ​​levende celler. Forskningen er beskrevet i 26. november-udgaven af Naturmaterialer .

"Forestil dig noget som en finmasket køkkensi med sukker, der flyder igennem den, " sagde projektleder Alex Smolyanitsky. "Du strækker den si på en sådan måde, at hvert hul i nettet bliver 1-2 procent større. Du ville forvente, at flowet gennem det net vil blive øget med nogenlunde samme mængde. Godt, her stiger det faktisk 1, 000 procent. Det synes jeg er ret fedt, med tonsvis af applikationer."

Hvis det kan opnås eksperimentelt, denne grafensigte ville være den første kunstige ionkanal, der tilbyder en eksponentiel stigning i ionstrømmen, når den strækkes, tilbyder muligheder for hurtige ionseparationer eller pumper eller præcis saltholdighedskontrol. Samarbejdspartnere planlægger laboratorieundersøgelser af disse systemer, sagde Smolyanitsky.

Grafen er et lag af kulstofatomer arrangeret i sekskanter, ligner hønsenet i form, der leder elektricitet. NIST molekylær dynamik-simuleringerne fokuserede på et grafenark på 5,5 gange 6,4 nanometer (nm) i størrelse og med små huller foret med iltatomer. Disse porer er kroneethere - elektrisk neutrale cirkulære molekyler kendt for at fange metalioner. En tidligere NIST-simuleringsundersøgelse viste, at denne type grafenmembran kan bruges til nanofluidisk databehandling.

I simuleringerne grafenen blev suspenderet i vand indeholdende kaliumchlorid, et salt, der spaltes i kalium- og klorioner. Kroneetherens porer kan fange kaliumioner, som har en positiv ladning. Indfangnings- og frigivelseshastighederne kan styres elektrisk. Et elektrisk felt af forskellige styrker blev påført for at drive ionstrømmen, der strømmer gennem membranen.

Forskere simulerede derefter at trække i membranen med forskellige grader af kraft for at strække og udvide porerne, øger strømmen af ​​kaliumioner gennem membranen kraftigt. Udstrækning i alle retninger havde den største effekt, men selv at trække i kun én retning havde en delvis effekt.

Forskere fandt ud af, at den uventede store stigning i ionstrømmen skyldtes et subtilt samspil mellem en række faktorer, herunder tyndheden af ​​grafen; interaktioner mellem ioner og den omgivende væske; og ion-pore interaktioner, som svækkes, når porerne strækkes lidt. Der er en meget følsom balance mellem ioner og deres omgivelser, sagde Smolyanitsky.