Atomskala kapillærer blokerer de mindste ioner, takket være grafen

Forskere ved University of Manchester National Graphene Institute i Storbritannien er lykkedes med at gøre kunstige kanaler til kun et atom i størrelse for første gang. De nye kapillærer, som meget ligner naturlige proteinkanaler såsom aquaporiner, er små nok til at blokere strømmen af ​​de mindste ioner som Na+ og Cl- men tillader vand at strømme frit igennem. Udover at forbedre vores grundlæggende forståelse af molekylær transport i atomskala, og især i biologiske systemer, strukturerne kunne være ideelle i afsaltnings- og filtreringsteknologier.

"Naturligvis, det er umuligt at gøre kapillærer mindre end et atom i størrelse, "forklarer teamleder Sir Andre Geim." Vores bedrift syntes næsten umuligt, selv i bakspejlet, og det var svært at forestille sig sådanne små kapillærer for bare et par år siden. "

Naturligt forekommende proteinkanaler, såsom aquaporiner, lad vand hurtigt trænge igennem dem, men blokere hydratiserede ioner større end omkring 7 A i størrelse takket være mekanismer som sterisk (størrelse) eksklusion og elektrostatisk frastødning. Forskere har forsøgt at lave kunstige kapillærer, der fungerer ligesom deres naturlige modstykker, men på trods af store fremskridt med at skabe porer og nanorør i nanoskala, alle sådanne strukturer til dato har stadig været meget større end biologiske kanaler.

Geim og kolleger har nu fremstillet kanaler, der er omkring kun 3,4 A i højden. Dette er omkring halvdelen af ​​størrelsen af ​​de mindste hydratiserede ioner, såsom K+ og Cl-, som har en diameter på 6,6 A. Disse kanaler opfører sig ligesom proteinkanaler ved at de er små nok til at blokere disse ioner, men er tilstrækkeligt store til at tillade vandmolekyler (med en diameter på omkring 2,8 A) frit at strømme igennem.

Strukturerne kunne, vigtigt, hjælp til udvikling af omkostningseffektive, højfluksfiltre til afsaltning af vand og relaterede teknologier-en hellig gral for forskere på området.

Lego i atomskala

Ved at offentliggøre deres fund i Science lavede forskerne deres strukturer ved hjælp af en van der Waals samlingsteknik, også kendt som "Lego i atomskala", som blev opfundet takket være forskning i grafen. "Vi spalter atomisk flade nanokrystaller med en tykkelse på kun 50 og 200 nanometer fra grafit i bulk og placerer derefter strimler af monolag grafen på overfladen af ​​disse nanokrystaller, "forklarer Dr. Radha Boya, medforfatter af forskningsartiklen. "Disse strimler fungerer som afstandsstykker mellem de to krystaller, når en lignende atomisk flad krystal efterfølgende placeres ovenpå. Den resulterende trilags samling kan ses som et par kantforskydninger forbundet med et fladt hulrum imellem. Dette rum kan kun rumme en atomlag af vand. "

Brug af grafenmonolagene som afstandsstykker er en første ting, og det er det, der gør de nye kanaler forskellige fra alle tidligere strukturer, hun siger.

Manchester-forskerne designede deres 2-D kapillærer til at være 130 nm brede og flere mikron lange. De samlede dem oven på en siliciumnitridmembran, der adskilte to isolerede beholdere for at sikre, at kanalerne var den eneste vej, gennem hvilken vand og ioner kunne strømme.

Indtil nu, forskere havde kun kunnet måle vandstrømmen gennem kapillærer, der havde meget tykkere afstandsstykker (ca. 6,7 A høj). Og mens nogle af deres molekylære dynamiksimuleringer indikerede, at mindre 2-D-hulrum skulle kollapse på grund af van der Waals tiltrækning mellem de modsatte vægge, andre beregninger pegede på det faktum, at vandmolekyler inde i spalterne faktisk kunne fungere som en støtte og forhindre, at selv et atomhøje spalter (kun 3,4 A høje) falder ned. Det er faktisk det, Manchester -holdet nu har fundet i sine eksperimenter.

Måling af vand og ionstrømning

"Vi målte vandgennemtrængning gennem vores kanaler ved hjælp af en teknik kendt som gravimetri, "siger Radha." Her, vi lader vand i en lille forseglet beholder uddampe udelukkende gennem kapillærerne, og vi måler derefter nøjagtigt (til mikrogrampræcision), hvor meget vægt beholderen taber i løbet af flere timer. "

At gøre dette, forskerne siger, at de byggede et stort antal kanaler (over hundrede) parallelt for at øge følsomheden af ​​deres målinger. De brugte også tykkere topkrystaller for at forhindre sagging, og klippede den øverste åbning af kapillærerne (ved hjælp af plasma -ætsning) for at fjerne eventuelle blokeringer af tynde kanter, der er til stede her.

For at måle ionstrømning, de tvang ioner til at bevæge sig gennem kapillærerne ved at anvende et elektrisk felt og målte derefter de resulterende strømme. "Hvis vores kapillærer var to atomer høje, vi fandt ud af, at små ioner kan bevæge sig frit gennem dem, ligesom hvad der sker i bulkvand, "siger Radha." I modsætning hertil, ingen ioner kunne passere gennem vores i sidste ende små et-atom-høje kanaler.

"Undtagelsen var protoner, som vides at bevæge sig gennem vand som ægte subatomære partikler, frem for ioner klædt i relativt store hydratiseringsskaller med flere ångstrøm i diameter. Vores kanaler blokerer således alle hydratiserede ioner, men tillader protoner at passere. "

Da disse kapillærer opfører sig på samme måde som proteinkanaler, de vil være vigtige for bedre at forstå, hvordan vand og ioner opfører sig på molekylskalaen-som i biologiske filtre i angstromskala. "Vores arbejde (både nuværende og tidligere) viser, at atomisk lukket vand har meget forskellige egenskaber fra bulkvand, "forklarer Geim." F.eks. det bliver stærkt lagdelt, har en anden struktur, og udviser radikalt forskellige dielektriske egenskaber. "