Undersøgelse afslører, hvordan nanokanaler udvælger kaliumioner

En nylig undersøgelse har kastet lys over, hvordan nanokanaler selektivt transporterer kaliumioner, mens de udelukker andre ioner. Denne grundlæggende forståelse af ionselektivitet kunne bane vejen for udviklingen af ​​avancerede nanopore-baserede enheder til en række forskellige applikationer, herunder vandrensning, biomolekyle-sensing og energiomdannelse.

Nanokanaler er porer eller kanaler i nanoskala, der kan bruges til at kontrollere bevægelsen af ​​ioner og molekyler. De har tiltrukket sig betydelig interesse inden for områder som nanoteknologi, kemi og biologi på grund af deres unikke egenskaber og potentielle anvendelser. At forstå mekanismerne bag den selektive transport af specifikke ioner gennem nanokanaler er dog stadig en udfordrende opgave.

I denne undersøgelse undersøgte forskere fra University of Tokyo og RIKEN Center for Sustainable Resource Science ionselektiviteten af ​​nanokanaler dannet af selvsamlede cykliske peptider. Ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik og fri energiberegninger undersøgte de vekselvirkningerne mellem kaliumioner og nanokanalvæggene og sammenlignede dem med andre alkalimetalioner (lithium, natrium, rubidium og cæsium).

Simuleringerne afslørede, at nanokanalen udviser en stærk præference for kaliumioner frem for andre alkalimetalioner. Denne selektivitet tilskrives primært de specifikke interaktioner mellem kaliumionerne og oxygenatomerne på den indre overflade af nanokanalen. Disse interaktioner er stærkere for kaliumioner sammenlignet med andre alkalimetalioner på grund af den passende størrelse og ladningstæthed match mellem kaliumioner og nanokanalen.

Desuden fandt undersøgelsen, at nanokanalen effektivt kan skelne mellem kaliumioner og andre alkalimetalioner, selv i nærvær af høje koncentrationer af andre ioner. Denne bemærkelsesværdige selektivitet tilskrives den samarbejdseffekt af flere oxygenatomer i nanokanalen, som tilsammen bidrager til binding og transport af kaliumioner.

Forskerne undersøgte også virkningerne af nanokanalstørrelse og påført spænding på ionselektivitet. De fandt ud af, at ionselektiviteten bliver mere udtalt, når nanokanalstørrelsen falder, og den kan forbedres yderligere ved at anvende en passende spændingsforspænding over nanokanalen.

Resultaterne af denne undersøgelse giver værdifuld indsigt i nanokanalers iontransportmekanismer og fremhæver deres potentiale for selektiv iontransport og -separation. Den grundlæggende forståelse opnået fra denne forskning kan guide det rationelle design og optimering af nanokanaler til forskellige applikationer, såsom ionadskillelsesmembraner, biosensorer og energieffektive afsaltningssystemer.

Ved at manipulere interaktionerne mellem ioner og nanokanalvæggene er det muligt at opnå meget selektiv transport af specifikke ioner, som kan udnyttes i en bred vifte af teknologiske fremskridt og bidrage til at løse globale udfordringer relateret til vandknaphed, energiforbrug og miljø. bæredygtighed.