Het oppervlak van een enkele cel bevat honderden kleine poriën, of ionenkanalen, die elk een portaal zijn voor specifieke ionen. Ionenkanalen zijn typisch ongeveer 1 nanometer breed; door de juiste balans van ionen te behouden, ze houden cellen gezond en stabiel.

Nu hebben onderzoekers van MIT minuscule poriën gemaakt in losse vellen grafeen die een reeks voorkeuren en kenmerken hebben die vergelijkbaar zijn met die van ionenkanalen in levende cellen.

Elke grafeenporie is minder dan 2 nanometer breed, waardoor ze tot de kleinste poriën behoren waardoor wetenschappers ooit de ionenstroom hebben bestudeerd. Elk is ook uniek selectief, bepaalde ionen verkiezen boven andere door de grafeenlaag te transporteren.

"Wat we zien is dat er veel diversiteit is in de transporteigenschappen van deze poriën, wat betekent dat er veel potentieel is om deze poriën aan te passen aan verschillende toepassingen of selectiviteiten, " zegt Rohit Karnik, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT.

Karnik zegt dat grafeennanoporiën nuttig kunnen zijn als sensoren, bijvoorbeeld het detecteren van kwikionen, potassium, of fluoride in oplossing. Dergelijke ion-selectieve membranen kunnen ook nuttig zijn in de mijnbouw:in de toekomst zullen het is misschien mogelijk om grafeennanoporiën te maken die sporen van goudionen uit andere metaalionen kunnen filteren, zoals zilver en aluminium.

Karnik en voormalig afgestudeerde student Tarun Jain, samen met Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier, en Sean O'Hern van MIT en Juan-Carlos Idrobo van Oak Ridge National Laboratory, publiceren hun resultaten vandaag in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Dynamische persoonlijkheid

In levende cellen, de diversiteit van ionkanalen kan voortvloeien uit de grootte en precieze atomaire rangschikking van de kanalen, die iets kleiner zijn dan de ionen die er doorheen stromen.

"Als nanoporiën kleiner worden dan de gehydrateerde grootte van het ion, dan begin je interessant gedrag te zien ontstaan, ' zegt Jaïn.

Vooral, gehydrateerde ionen, of ionen in oplossing, zijn omgeven door een schil van watermoleculen die aan het ion kleven, afhankelijk van de elektrische lading. Of een gehydrateerd ion door een bepaald ionenkanaal kan persen, hangt af van de grootte en configuratie van dat kanaal op atomaire schaal.

Karnik redeneerde dat grafeen een geschikt materiaal zou zijn om kunstmatige ionkanalen te creëren:een vel grafeen is een ultradun rooster van koolstofatomen dat één atoom dik is, dus poriën in grafeen worden gedefinieerd op atomaire schaal.

Om poriën in grafeen te creëren, de groep gebruikte chemische dampafzetting, een proces dat doorgaans wordt gebruikt om dunne films te produceren. in grafeen, het proces veroorzaakt van nature kleine defecten. De onderzoekers gebruikten het proces om poriën ter grootte van nanometers te genereren in verschillende vellen grafeen, die een gelijkenis vertoonde met ultradunne Zwitserse kaas.

De onderzoekers isoleerden vervolgens individuele poriën door elk grafeenvel over een laag siliciumnitride te plaatsen die was doorboord door een ionenstraal, waarvan de diameter iets kleiner is dan de afstand tussen grafeenporiën. De groep redeneerde dat alle ionen die door de tweelaagse opstelling stromen waarschijnlijk eerst door een enkele grafeenporie zouden zijn gegaan, en dan door het grotere gat van siliciumnitride.

De groep mat stromen van vijf verschillende zoutionen door verschillende grafeenbladopstellingen door een spanning aan te leggen en de stroom die door de poriën vloeit te meten. De stroom-spanningsmetingen varieerden sterk van porie tot porie, en van ion tot ion, met enkele poriën die stabiel blijven, terwijl anderen heen en weer zwaaiden in geleiding - een indicatie dat de poriën divers waren in hun voorkeuren voor het doorlaten van bepaalde ionen.

"Het beeld dat naar voren komt is dat elke porie anders is en dat de poriën dynamisch zijn, " zegt Karnik. "Elke porie begint zijn eigen persoonlijkheid te ontwikkelen."

Nieuwe grens

Karnik en Jain ontwikkelden vervolgens een model om de metingen te interpreteren, en gebruikte het om de metingen van het experiment te vertalen in schattingen van de poriegrootte. Op basis van het model, ze ontdekten dat de diameter van veel van de poriën minder dan 1 nanometer was, die - gezien de dikte van grafeen met één atoom - ze tot de kleinste poriën maakt waardoor wetenschappers de ionenstroom hebben bestudeerd.

Met het model, de groep berekende het effect van verschillende factoren op het poriegedrag, en ontdekte dat het waargenomen poriegedrag werd vastgelegd door drie hoofdkenmerken:de grootte van een porie, zijn elektrische lading, en de positie van die lading over de lengte van een porie.

Dit wetende, onderzoekers kunnen ooit in staat zijn om poriën op nanoschaal aan te passen om ion-specifieke membranen te maken voor toepassingen zoals omgevingsdetectie en sporenmetaalwinning.

"Het is een soort nieuwe grens in membraantechnologieën, en om het transport door deze heel kleine poriën in ultradunne materialen te begrijpen, ' zegt Karnik.