(Phys.org) -- Wetenschappers hebben belangrijke ontwerphindernissen overwonnen om het potentiële gebruik van nanoporiën en nanobuisjes uit te breiden. De creatie van slimme nanobuisjes met selectief massatransport opent een breder scala aan toepassingen voor waterzuivering, chemische scheiding en bestrijding van ziekten.

Nanoporiën en hun opgerolde versie, nanobuisjes, bestaan ​​uit atomen die in een hexagonaal patroon aan elkaar zijn gebonden om een ​​reeks openingen of kanalen op nanometerschaal te creëren. Deze structuur creëert een filter dat kan worden aangepast om te selecteren welke moleculen en ionen in het drinkwater of in een cel terechtkomen. Dezelfde filtertechniek kan het vrijkomen van chemische bijproducten uit industriële processen beperken.

Successen bij het maken van synthetische nanobuisjes van verschillende materialen zijn eerder gemeld, maar het gebruik ervan is beperkt omdat ze in water worden afgebroken, de poriegrootte van waterbestendige koolstofnanobuisjes is moeilijk te controleren, en, kritischer, het onvermogen om ze in geschikte filters te assembleren.

Een internationaal team van onderzoekers, met hulp van de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory, zijn erin geslaagd deze hindernissen te overwinnen door zelfassemblage te bouwen, grootte-specifieke nanoporiën. Deze nieuwe mogelijkheid stelt hen in staat om nanobuisjes te ontwerpen voor specifieke functies en de poriegrootte te gebruiken om specifieke moleculen en ionen selectief te blokkeren.

Wetenschappers gebruikten groepen atomen die geribbelde macrocycli worden genoemd en die een vlakke hexahenyleen-ethynyleenkern delen die zes amide-zijketens draagt. Door een cellulair zelfassemblageproces, de macrocycli stapelen zich cofaciaal op, of atoom bovenop atoom. Elke laag van de macrocyclus wordt bij elkaar gehouden door binding tussen waterstofatomen in de amidezijketens. Deze uitlijning zorgt voor een uniforme poriegrootte, ongeacht de lengte van de nanobuis. Een kleine verkeerde uitlijning van zelfs maar een paar macrocycli kan de poriegrootte veranderen en de functionaliteit van de nanobuis sterk in gevaar brengen.

“Het is de eerste synthetische nanobuis met een zeer uniforme diameter, ” zei Xiao Cheng Zeng, een van de senior auteurs van de studie en een emeritus professor aan de Universiteit van Nebraska-Lincoln.

De poriegroottes kunnen worden aangepast om moleculen en ionen te filteren op basis van hun grootte door de macrocyclische grootte te veranderen, vergelijkbaar met de manier waarop een ruimte in een trouwring kan worden gestopt om deze strakker te maken. De kanalen zijn waterdoorlatend, die helpt bij de snelle overdracht van intercellulaire informatie. De synthetische nanoporiën bootsen de activiteit na van cellulaire ionkanalen die in het menselijk lichaam worden gebruikt. Het onderzoek legt de basis voor een reeks opwindende nieuwe technologie, zoals nieuwe manieren om eiwitten rechtstreeks in cellen af ​​te leveren of medicijnen om ziekten te bestrijden.

“Het idee voor dit onderzoek is ontstaan ​​in de biologische wereld, van onze hoop om biologische structuren na te bootsen, en we waren enthousiast over de resultaten, ’ zei BingGong, een professor aan de Universiteit van Buffalo in New York, die de studie leidde. "We hebben het eerste kwantitatief bevestigde synthetische waterkanaal gecreëerd."

"Zelfassemblerende subnanometerporiën met ongebruikelijke massatransporteigenschappen" verschijnt 17 juli in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Dit is de eerste demonstratie van moleculaire engineering om een ​​reeks nanobuisjes met uniforme poriegrootte te creëren die ionenselectief transport voor een specifieke functie mogelijk maken, " zei Zhonghou Cai, een wetenschapper met de Advanced Photon Source. Een hoogenergetische röntgenstraal van een lichtbron, zoals de APS, was de enige manier om computersimulaties te bevestigen en de uniformiteit van de gesynthetiseerde nanobuis laag voor laag te testen. "Je werkt niet vaak aan zoiets spannends."