Voor de eerste keer, spontane insertie van koolstofnanobuisjes (CNT's) in natuurlijke en synthetische celmembranen om poriën te vormen die biologische kanalen nabootsen. Ondanks hun uiterst eenvoudige structuur, deze CNT-membraanporiën repliceren het belangrijkste functionele gedrag van porines (op eiwitten gebaseerde biologische kanalen), zoals selectief transport van protonen, water, ionen, en kleine moleculen.

Het voorspellend ontwerp en de creatie van robuuste synthetische membranen die de zeer efficiënte en selectieve transportprocessen van biologische kanalen repliceren, is een uitdagend doel. CNT-porins die hier zijn ontwikkeld, zijn veelbelovende biomimetische platforms voor nanofluïdische studies, het bouwen van bio-elektronische interfaces en synthetische cellen, en dienen als belangrijke componenten voor energie-efficiënte op membranen gebaseerde scheidingssystemen.

Voor de eerste keer, een proces voor het spontaan inbrengen van koolstofnanobuisjes (CNT's) in celmembranen, zowel natuurlijk als synthetisch, om poriën te vormen die biologische kanalen nabootsen is aangetoond. Robuust, synthetische membranen die de zeer efficiënte en selectieve transportprocessen van biologische kanalen nabootsen, zijn zeer gewild, maar zijn nog niet gerealiseerd. CNT's worden beschouwd als de beste kandidaten voor het nabootsen van biologisch transport vanwege de gelijkenis van hun innerlijke poriestructuur met die van de belangrijkste biologische kanalen en de mogelijkheid dat, gebaseerd op computermodellen, de CNT's zouden zichzelf in biologische membranen kunnen inbrengen. Echter, het creëren van dergelijke hybride membraanstructuren is een uitstekende uitdaging gebleven.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory en met wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory, de Universiteit van Californië in Berkeley, en de Universiteit van Baskenland in Spanje heeft een hybride membraan gevormd door membraankanalen te creëren uit korte CNT's. Ze ontdekten dat CNT's gefunctionaliseerd met lipide (vet) moleculen spontaan in celmembranen invoegen, zowel natuurlijk als synthetisch. belangrijk, door de kleine CNT's in levende celwanden in te brengen, konden ze rechtstreeks communiceren met een echt biologisch systeem, iets wat niet mogelijk is met lange CNT's.

Deze interface maakte het mogelijk om de fundamentele fysica van nanoporietransport te onderzoeken met behulp van een model dat een ionkanaal beter benadert en dat transport in biologische poriën nabootst. Ondanks hun uiterst eenvoudige structuur, deze membraanporiën reproduceren het belangrijkste functionele gedrag van biologische kanalen, zoals selectief transport van protonen, water, ionen, en kleine moleculen. De CNT's hebben geen invloed op de integriteit van het membraan. Elektronenmicroscopie onthulde dat insertie niet selectief is voor een bepaalde nanobuislengte. Verder, een bijna loodrechte oriëntatie van de CNT's in het membraan heeft sterk de voorkeur, in tegenstelling tot eerdere op simulatie gebaseerde voorspellingen.

Ondanks aanzienlijke CNT-lengtevariaties, de transporteigenschappen van deze hybride membranen, genaamd "CNT porins" (waar de term porins verwijst naar op eiwit gebaseerde biologische kanalen), zijn zeer goed gedefinieerd, wat sterk suggereert dat het transport door de CNT-poriën alleen wordt geleid door de barrières bij de porie-uitgang en -ingang. In aanvulling, opsluiting van ionen op nanoschaal in het smalle hydrofobe kanaal geeft aanleiding tot ionische stroomfluctuatie, het nabootsen van het aan-uit-gating-proces van ionentransport dat plaatsvindt in biologische kanalen. cumulatief, deze resultaten wijzen op de hybride materialen die bruikbare membraantoepassingen hebben. Deze toepassingen omvatten het bieden van een platform voor nanofluïdische studies, het bouwen van bio-elektronische interfaces en kunstmatige cellen, en dienen als belangrijke componenten voor energie-efficiënte membraanscheidingssystemen.