Als een erwt die door een rietje gaat, kleine moleculen kunnen door microscopisch kleine cilinders gaan die bekend staan ​​als nanobuisjes. Dit kan mogelijk worden gebruikt om moleculen te selecteren op grootte, bijvoorbeeld om water te zuiveren door watermoleculen door te laten terwijl ze zout of andere stoffen blokkeren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het MIT, De Universiteit van Seoul in Korea en het Ursinus College in Pennsylvania hebben ontdekt dat dergelijke buisjes selectiever zijn dan werd gedacht:moleculen met een precieze grootte kunnen vijf keer sneller door de buis glijden dan die wat kleiner of groter zijn. De nieuwe bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie door MIT-professor Michael Strano, afgestudeerde studenten Wonjoon Choi en Zachary Ulissi, en drie anderen.

Deze grootte-afhankelijkheid in het transport van nanobuisjes was volkomen onverwacht, zegt Strano, een professor in de chemische technologie aan het MIT. "Dit werk illustreert hoe transport in poriën van dit type exotisch en relatief onontgonnen blijft, " hij zegt.

Het team "bekeek ionentransport door de kleinste enkele nanoporiën die zijn bestudeerd, " zegt Strano. De koolstofnanobuisjes die ze bestudeerden, hadden een breedte van 0,9 tot 2 nanometer - ongeveer de diameter van een DNA-helix - en waren ongeveer 1 millimeter lang.

"Wat we vonden werd niet voorspeld door de theorie, " zegt hij:Tot een bepaalde diameter, de stroom van ionen door een nanobuisje nam gestaag toe, maar toen voorbij die diameter, de stroom nam af. "De afhankelijkheid is een vulkaanvormig complot, ' zegt Strano.

De piekstroom, in het midden van dat perceel, maakt transport mogelijk dat vijf keer groter is dan transport met kleinere of grotere diameters. "De experimentele resultaten zijn contra-intuïtief, "Strano zegt, "dat er een optimale diameter blijkt te zijn."

Deze grootte-afhankelijkheid van transport kan nuttig blijken te zijn in een verscheidenheid aan technologieën, hij stelt voor, inclusief protonenuitwisselingsmembraan (PEM) brandstofcellen, waar moleculen van zuurstof of waterstof door kleine poriën in een membraan moeten gaan om elektriciteit te produceren. Een andere mogelijke toepassing is in apparaten voor DNA-sequencing, waar DNA-segmenten doorgaans veel te snel door de poriën razen om te worden geanalyseerd. Het nieuwe begrip kan een methode bieden voor het "afstemmen" van de transitsnelheid om de DNA-sequenties voldoende te vertragen voor analyse.

De onverwachte grootte-afhankelijkheid is het gevolg van twee fenomenen, stelt Strano voor. Volgens een theorie ontwikkeld door het team, er is eerst een aantrekkingskracht, waarin de elektrische lading van ionen ervoor zorgt dat ze door een elektrisch veld door de porie worden getrokken. Omdat de ionen en de buizen allemaal in water zijn ondergedompeld, er wordt ook wat water meegezogen.

Tot een bepaalde diameter die watermoleculen vormen een laag, of een paar lagen, rond het ion en worden meegetrokken, theoretiseert het team. Maar naarmate de opening groter wordt, het water gedraagt ​​zich als stortgoed, de doorgang van de ionen vertragen. "Deze verklaring komt overeen met onze experimentele waarnemingen en moleculaire simulaties van water in nanobuisjes van dit type, " zegt Strano - hoewel hij benadrukt dat hoewel de gegevens over de ionenstroom duidelijk zijn, extra theoretisch werk is nodig om dit proces volledig te begrijpen.

De bevinding kan helpen bij het ontwerpen van betere membranen voor ontzilting van water. Het grootste probleem met de hedendaagse membranen is de afweging tussen selectiviteit versus stroomsnelheden:grotere poriën laten het water sneller doorstromen, maar zijn minder selectief. De niet-lineaire respons van nanobuisjes kan daar een oplossing voor bieden.

"De resultaten suggereren dat door het gebruik van nanoporiën met een specifieke diameter, het kan mogelijk zijn om maximale selectiviteit te bereiken met maximale doorvoer" door de poriegrootte te optimaliseren, zegt Strano.

Het werk zou ook kunnen leiden tot nieuwe sensoren die specifieke verontreinigingen in water kunnen detecteren, zegt het team. Bijvoorbeeld, arseenverontreiniging van het grondwater is in sommige regio's een ernstig gezondheidsprobleem, maar er is geen betrouwbare manier om arseenconcentraties in water te testen. De selectiviteit van nanobuisjes zou het mogelijk kunnen maken om een ​​eenvoudige detector te ontwerpen die dergelijke contaminatie zou kunnen meten, zegt Strano.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.