Они говорят, что важны мелочи, и это, безусловно, верно для каналов в трансмембранных белках, которые достаточно малы, чтобы пропускать ионы или молекулы определенного размера, не допуская при этом более крупных объектов. Искусственные жидкие наноканалы, которые имитируют возможности трансмембранных белков, высоко ценятся благодаря ряду передовых технологий. Однако до сих пор было сложно создать отдельные искусственные каналы такого размера.
Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (DOE) смогли создать наноканалы размером всего два нанометра (2 нм), используя стандартные процессы производства полупроводников. Они уже использовали эти наноканалы, чтобы обнаружить, что механика жидкости для таких малых проходов значительно отличается не только от каналов большого размера, но даже от каналов размером всего 10 нанометров.
«Мы смогли изучить перенос ионов в наших 2-нм наноканалах, измерив зависимость ионной проводимости от времени и концентрации», - говорит Арун Маджумдар, директор Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E), который руководил этим исследованием. еще будучи ученым в лаборатории Беркли. «Мы наблюдали гораздо более высокую скорость протонной и ионной подвижности в наших ограниченных гидратированных каналах - до четырехкратного увеличения по сравнению с более крупными наноканалами (от 10 до 100 нм). Этот улучшенный транспорт протонов может объяснить высокую пропускную способность протонов в трансмембранных каналах. каналы."
Маджумдар является соавтором статьи об этой работе, опубликованной в журнале Nature Nanotechnlogy, вместе с Чуанхуа Дуанем, членом исследовательской группы Маджумдара в Калифорнийском университете (UC) в Беркли. Работа называется «Аномальный перенос ионов в 2-нм гидрофильных наноканалах».
В своей статье Маджумдар и Дуан описывают технику, в которой высокоточное ионное травление сочетается с анодным соединением для изготовления каналов определенного размера и геометрии на кристалле кремния на стекле. Чтобы предотвратить коллапс канала под действием сильных электростатических сил процесса анодного соединения, на стеклянную подложку был нанесен толстый (500 нм) оксидный слой.
«Этот этап осаждения и следующий этап склеивания гарантировали успешное уплотнение канала без разрушения», - говорит Дуан. «Мы также должны были выбрать правильную температуру, напряжение и период времени, чтобы обеспечить идеальное склеивание. Я сравниваю процесс с приготовлением стейка, вам нужно выбрать правильную приправу, а также правильное время и температуру. Осаждение оксидного слоя была для нас подходящей приправой .
Каналы нанометрового размера в трансмембранных белках имеют решающее значение для управления потоком ионов и молекул через внешние и внутренние стенки биологической клетки, что, в свою очередь, имеет решающее значение для многих биологических процессов, поддерживающих клетку. Как и их биологические аналоги, жидкие наноканалы могут сыграть решающую роль в будущем топливных элементов и батарей.
«Улучшенный перенос ионов улучшает удельную мощность и практическую плотность энергии топливных элементов и батарей», - говорит Дуан. «Хотя теоретическая плотность энергии в топливных элементах и батареях определяется активными электрохимическими материалами, практическая плотность энергии всегда намного ниже из-за внутренних потерь энергии и использования неактивных компонентов. Улучшенный перенос ионов может снизить внутреннее сопротивление в топливных элементах и батареи, которые уменьшили бы внутренние потери энергии и увеличили бы практическую плотность энергии ».
Выводы Дуана и Маджумдара показывают, что перенос ионов может быть значительно улучшен в 2-нм гидрофильных наноструктурах из-за их геометрического ограничения и высокой плотности поверхностного заряда. В качестве примера Дуан приводит сепаратор, компонент, расположенный между катодом и анодом в батареях и топливных элементах, чтобы предотвратить физический контакт электродов, обеспечивая при этом свободный перенос ионов.
«Современные сепараторы представляют собой в основном микропористые слои, состоящие либо из полимерной мембраны, либо из мата из нетканого материала», - говорит Дуан. «Неорганическая мембрана, встроенная в массив 2-нм гидрофильных наноканалов, может быть использована для замены нынешних сепараторов и повышения практической мощности и плотности энергии».
Наноканалы с длиной волны 2 нм также являются многообещающими для биологических применений, поскольку они могут использоваться для непосредственного контроля и управления физиологическими растворами. Современные наножидкостные устройства используют каналы размером от 10 до 100 нм для разделения биомолекул и управления ими. Из-за проблем с электростатическим взаимодействием эти более крупные каналы могут работать с искусственными растворами, но не с естественными физиологическими растворами.
«Для физиологических растворов с типичной ионной концентрацией около 100 миллимоляров длина экранирования Дебая составляет 1 нм», - говорит Дуан. «Поскольку двойные электрические слои двухканальных поверхностей перекрываются в наших 2-нм наноканалах, все текущие биологические приложения, обнаруженные в более крупных наноканалах, могут быть перенесены на 2-нм наноканалы для реальных физиологических сред».
Следующим шагом исследователей будет изучение транспорта ионов и молекул в гидрофильных нанотрубках, размер которых даже меньше 2 нм. Ожидается, что перенос ионов будет еще больше улучшен за счет меньшей геометрии и большей силы гидратации.
«Я разрабатываю неорганическую мембрану со встроенным массивом гидрофильных нанотрубок размером менее 2 нм, которая будет использоваться для изучения переноса ионов как в водных, так и в органических электролитах», - говорит Дуан. ионные батареи .