Overraskende ion- og flowadfærd med funktionaliserede nanokanaler

Nanokanaler har vigtige anvendelser inden for biomedicin, sansning, og mange andre områder. Selvom ingeniører, der arbejder inden for nanoteknologi, har fremstillet disse små, rørlignende strukturer i årevis, meget er stadig ukendt om deres egenskaber og adfærd.

Nu, University of Maryland mekanisk ingeniør lektor Siddhartha Das og en gruppe af hans ph.d. studerende har offentliggjort overraskende nye resultater i tidsskriftet ACS Nano . Ved at bruge simuleringer på atomniveau, Das og hans team var i stand til at demonstrere, at ladningsegenskaber såvel som ladningsinduceret væskestrøm i en funktionaliseret nanokanal ikke altid opfører sig som forventet.

"Vi har opdaget en ny kontekst for nanokanaler, der er funktionaliserede ved at pode deres indre vægge med ladede polymermolekyler (også kendt som polyelektrolytter eller PE'er), "Das sagde, refererer til processen med at pode polymerer eller andre stoffer på nanokanalen for at få den til at fungere på en bestemt måde. "Funktionaliseringen af ​​nanokanaler er ikke ny. Men vi er kommet frem til et paradigmeskifte i forhold til at forstå sådanne systemers adfærd og egenskaber i sammenhæng med deres ladningsegenskaber og deres evne til at regulere væskeflow.

"For eksempel, "Das sagde, "Vi har opdaget en ny type strømningsadfærd i sådanne funktionaliserede nanokanaler; ved at øge størrelsen af ​​det elektriske felt, der påføres en nanokanal, retningen af ​​denne elektriske felt-drevne strømning (ofte kendt som elektroosmotisk strømning) kan vendes."

Papiret af Das og hans elever beskriver tre specifikke opdagelser. For det første, de viste det, når polyelektrolytter (PE'er) podes i form af et lag på indervæggen af ​​nanokanalen, dette PE-lag vil, under visse betingelser, gennemgår en overraskende vending af elektrisk ladning. Normalt, hvis negative PE-molekyler er blevet knyttet til nanokanalen, PE-laget i nærheden bør have en netto negativ ladning. Das og hans elever, imidlertid, identificerede situationer, hvor ladningen bliver inverteret, og nettoladningen i laget er positiv på grund af tiltrækningen af ​​flere positive ioner (end nødvendigt for at screene ladningen af ​​PE-laget) i laget - dette fænomen er kendt som "overscreening ."

Holdet undersøgte derefter, hvordan denne overscreening påvirker det eksterne elektriske felt-drevne flow (kendt som det elektroosmotiske eller EOS-flow) i nanokanalen. De fandt, overraskende, at strømmen i sådanne situationer drives af ioner med samme ladning som Pes podet på kanalvæggene; dermed, en negativt ladet polymer skaber et netto positivt felt i dens nærhed, men strømmen drives af de negative ioner.

"Vi kalder dette 'co-ion-drevet elektro-osmose, ' og vores papir markerer første gang, at dette fænomen er blevet identificeret, " sagde Das.

Endelig, holdet demonstrerede de uventede resultater af at øge størrelsen af ​​det elektriske felt:PE-molekylerne knyttet til nanokanalen bliver deformerede, og de ioner, der forårsagede forekomsten af ​​overscreening, begynder at undslippe fra PE-laget. Dette får overscreeningen til at stoppe, og vender også strømningsretningen i kanalen:hvis den bevægede sig fra venstre mod højre, for eksempel, den skifter til højre-venstre. "Ingen forudsagde dette, " sagde Das.

Resultaterne er væsentlige, Das sagde, fordi meget af interessen for nanokanaler skyldes deres evne til at transportere molekyler. "Da flow er så vigtigt, en ny opdagelse på dette område giver os mulighed for at bygge videre på vores forståelse af, hvordan nanokanaler fungerer, og hvad vi kan gøre med dem, " sagde Das. "Der er andre metoder til at vende flow, men indtil nu var det ikke kendt, at vi kan opnå dette ved at øge feltstyrken."