EPFL-onderzoekers hebben aangetoond dat een natuurkundige wet die te maken heeft met elektronentransport op nanoschaal ook analoog kan worden toegepast op ionentransport. Deze ontdekking geeft inzicht in een belangrijk aspect van hoe ionenkanalen in onze levende cellen functioneren.

Het membraan van alle menselijke cellen bevat minuscule kanaaltjes waar ionen met hoge snelheid doorheen gaan. Deze ionkanalen spelen een fundamentele rol in hoe neuronen, spiercellen en hartcellen in het bijzonder functioneren.

Ionenkanalen zijn extreem complex, en veel vragen blijven onbeantwoord. Hoe selecteren de kanalen de ionen die er doorheen mogen? Wat verklaart de hoge geleidbaarheid van de kanalen?

Onderzoekers in EPFL's Laboratory of Nanoscale Biology, onder leiding van Aleksandra Radenovic, hebben aangetoond dat ionentransport kan worden beschreven door een natuurkundige wet die Coulomb-blokkade wordt genoemd. Deze bevinding is gepubliceerd in Natuurmaterialen . Hun observatie zou ons begrip van de werking van deze kanalen kunnen verbeteren.

Een eiland van ionen

Om hun tests uit te voeren, de onderzoekers creëerden een kunstmatig ionkanaal door een gat van minder dan een nanometer groot te maken in een tweedimensionaal materiaal molybdeendisulfide. Vervolgens stopten ze dit materiaal in een apparaat dat bestaat uit twee elektroden samen met een ionische oplossing aan elke kant. Toen ze een spanning aanbrachten, ze waren in staat om variaties in de stroom tussen de twee kamers te meten. In tegenstelling tot het conventionele ionentransport in grotere nanoporiën (> 1nm), waar de stroom van ionen nooit helemaal stopt, ze observeerden bij laagspanning energiehiaten - strips zonder stroom - waaruit bleek dat de ionen in de nanoporie werden gehouden totdat de aangelegde spanning hoog genoeg was om hun oversteek van de ene kant van het gat naar de andere te vergemakkelijken.

Om deze energiekloven te interpreteren, de onderzoekers voerden andere tests uit, zoals spelen met de pH van de vloeistof, die de lading van de porie moduleert. pH-geïnduceerde geleidingsoscillaties werden ook gevonden. Al deze metingen leidden tot dezelfde conclusie:de manier waarop de ionen worden getransporteerd kan worden verklaard in termen van Coulomb-blokkade, een natuurkundige wet die gewoonlijk wordt geassocieerd met elektronentransport in kwantumstippen.

Tot nu, het mechanisme dat wordt gekenmerkt door Coulomb-blokkade werd waargenomen in de elektronica, vooral in halfgeleiderdeeltjes die kwantumstippen worden genoemd en die ofwel elektronen ofwel elektronengaten in alle drie de ruimtelijke dimensies strak opsluiten. Deze 'eilanden' kunnen maar een bepaald aantal elektronen bevatten, alvorens plaats te maken voor de nieuwkomers. Het experiment onder leiding van EPFL-onderzoekers toonde aan dat hetzelfde fenomeen zich voordeed met ionentransport, toen er een nanoporie bij betrokken was.

"Een aantal theoretici had voorspeld dat Coulomb-blokkade ook zou kunnen worden toegepast op ionkanalen. We waren blij om aan dit werk samen te werken met Prof. Massimiliano Di Ventra van de Universiteit van Californië, San Diego, " zei Radenovic. "En we hebben ze gelijk gegeven, door dit fenomeen voor het eerst te observeren met behulp van onze nanoporiën." Jiandong Feng, de hoofdauteur van het artikel voegde toe:"Deze observatie geeft veel informatie over hoe ionen door de nanoporiën van sub-nanometer gaan, het toneel vormen voor toekomstige verkenningen van mesoscopisch ionentransport."