(PhysOrg.com) -- Voor de eerste keer, een team van chemische ingenieurs van het MIT heeft enkele ionen waargenomen die door een klein koolstof-nanobuiskanaal marcheren. Dergelijke kanalen kunnen worden gebruikt als extreem gevoelige detectoren of als onderdeel van een nieuw waterontziltingssysteem. Ze zouden wetenschappers ook in staat kunnen stellen chemische reacties op het niveau van één molecuul te bestuderen.

Koolstof nanobuisjes — klein, holle cilinders waarvan de wanden roosters van koolstofatomen zijn - ongeveer 10, 000 keer dunner dan een mensenhaar. Sinds hun ontdekking bijna 20 jaar geleden, onderzoekers hebben ermee geëxperimenteerd als batterijen, transistoren, sensoren en zonnecellen, onder andere toepassingen.

In het nummer van 10 september van Wetenschap , MIT-onderzoekers melden dat geladen moleculen, zoals de natrium- en chloride-ionen die ontstaan ​​wanneer zout wordt opgelost in water, kan niet alleen snel door koolstofnanobuisjes stromen, maar kan ook, onder bepaalde voorwaarden, doe dat een voor een, zoals mensen die om de beurt een brug oversteken. Het onderzoek werd geleid door universitair hoofddocent Michael Strano.

Het nieuwe systeem laat veel kleinere moleculen door, over grotere afstanden (tot een halve millimeter), dan enig bestaand nanokanaal. Momenteel, het meest bestudeerde nanokanaal is een siliciumnanoporie, gemaakt door een gat door een siliconenmembraan te boren. Echter, deze kanalen zijn veel korter dan de nieuwe nanobuisjes (de nanobuisjes zijn ongeveer 20, 000 keer langer), dus laten ze alleen grote moleculen zoals DNA of polymeren door - iets kleiners zou te snel bewegen om te worden gedetecteerd.

Strano en zijn co-auteurs - recente PhD-ontvanger Chang Young Lee, afgestudeerde student Wonjoon Choi en postdoctoraal medewerker Jae-Hee Han - bouwden hun nieuwe nanokanaal door een nanobuisje over een plaat van één centimeter bij één centimeter te laten groeien, het aansluiten van twee waterreservoirs. Elk reservoir bevat een elektrode, een positieve en een negatieve. Omdat elektriciteit alleen kan stromen als protonen - positief geladen waterstofionen, waaruit de elektrische stroom bestaat - kan van de ene elektrode naar de andere gaan, de onderzoekers kunnen gemakkelijk bepalen of ionen door de nanobuis reizen.

Ze ontdekten dat protonen gestaag door de nanobuis stromen, een elektrische stroom voeren. Protonen stromen gemakkelijk door het nanokanaal omdat ze zo klein zijn, maar de onderzoekers zagen dat andere positief geladen ionen, zoals natrium, kan er ook doorheen, maar alleen als er voldoende elektrisch veld wordt aangelegd. Natriumionen zijn veel groter dan protonen, dus het duurt langer om over te steken als ze eenmaal binnen zijn. Terwijl ze het kanaal oversteken, ze blokkeren de stromen van protonen, wat leidt tot een korte stroomonderbreking die bekend staat als het Coulter-effect.

Strano gelooft dat de kanalen alleen positief geladen ionen doorlaten omdat de uiteinden van de buizen negatieve ladingen bevatten. die positieve ionen aantrekken. Echter, hij is van plan kanalen te bouwen die negatieve ionen aantrekken door positieve ladingen aan de buis toe te voegen.

Zodra de onderzoekers deze twee soorten kanalen hebben, ze hopen ze in te bedden in een membraan dat ook kan worden gebruikt voor waterontzilting. Meer dan 97 procent van het water op aarde bevindt zich in de oceanen, maar dat enorme reservoir is ondrinkbaar tenzij het zout wordt verwijderd. De huidige ontziltingsmethoden, distillatie en omgekeerde osmose, zijn duur en vereisen veel energie. Dus een nanobuismembraan dat zowel natrium- als chloride-ionen (die negatief geladen zijn) uit zeewater laat stromen, zou een goedkopere manier kunnen worden om water te ontzilten.

Deze studie markeert de eerste keer dat individuele ionen opgelost in water zijn waargenomen bij kamertemperatuur. Dit betekent dat de nanokanalen ook onzuiverheden kunnen detecteren, zoals arseen of kwik, bij drinkwater. (Ionen kunnen worden geïdentificeerd door hoe lang het duurt om het kanaal over te steken, wat afhangt van hun grootte). “Als een enkel arseen-ion in oplossing drijft, je zou het kunnen detecteren, ', zegt Strano.