Voor de eerste keer, Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben aangetoond dat koolstofnanobuizen met een diameter van slechts acht tienden van een nanometer protonen sneller kunnen transporteren dan bulkwater. met een orde van grootte.

Het onderzoek valideert een 200 jaar oud mechanisme van protonentransport.

Een nanometer is een miljardste van een meter. Ter vergelijking, de diameter van een mensenhaar is 20, 000 nanometer.

De transportsnelheden in deze nanobuisporiën, die eendimensionale waterdraden vormen, ook groter zijn dan die van biologische kanalen en kunstmatige protongeleiders, waardoor koolstofnanobuisjes de snelst bekende protongeleider zijn. Het onderzoek verschijnt in de geavanceerde online editie van het tijdschrift van 4 april Natuur Nanotechnologie .

Praktische toepassingen zijn onder meer protonenuitwisselingsmembranen, op protonen gebaseerde signalering in biologische systemen en het opkomende gebied van protonbio-elektronica (protonica).

"Het leuke van onze resultaten is dat we ontdekten dat als je water in de nanobuis knijpt, protonen bewegen nog sneller door dat water dan door normaal (bulk)water, " zei Aleksandr Noy, een LLNL-biofysicus en een hoofdauteur van het artikel. (Bulkwater is vergelijkbaar met wat je zou vinden in een kopje water dat veel groter is dan de grootte van een enkel watermolecuul).

Het idee dat protonen snel reizen in oplossingen door langs ketens van waterstofgebonden watermoleculen te springen, dateert 200 jaar terug tot het werk van Theodore von Grotthuss en blijft nog steeds de basis van het wetenschappelijke begrip van protonentransport. In het nieuwe onderzoek LLNL-onderzoekers gebruikten poriën van koolstofnanobuisjes om watermoleculen in perfecte eendimensionale ketens op te stellen en toonden aan dat ze ervoor zorgen dat protontransportsnelheden de ultieme limieten voor het Grotthuss-transportmechanisme benaderen.

"De mogelijkheid om snel protonentransport te bereiken door de mate van wateropsluiting te veranderen, is opwindend, " zei Noy. "Tot nu toe, de door de mens gemaakte protonengeleiders, zoals polymeer Nafion, gebruik een ander principe om het protonentransport te verbeteren. We hebben de manier nagebootst waarop biologische systemen het protonentransport verbeteren, ging tot het uiterste, en nu realiseert ons systeem de ultieme limiet van protongeleidbaarheid in een nanoporie."

Van alle door de mens gemaakte materialen, de smalle hydrofobe binnenporiën van koolstofnanobuisjes (CNT) bieden de meeste belofte om het niveau van opsluiting en zwakke interacties met watermoleculen te leveren die de vorming van eendimensionale waterstofgebonden waterketens vergemakkelijken die het protontransport verbeteren.

Eerdere moleculair dynamische simulaties toonden aan dat water in koolstofnanobuisjes met een diameter van 0,8 nm zulke waterdraden zou creëren en voorspelden dat deze kanalen protonentransportsnelheden zouden vertonen die veel sneller zouden zijn dan die van bulkwater. Ramya Tunuguntla, een LLNL postdoctoraal onderzoeker en de eerste auteur van het artikel, zei dat ondanks aanzienlijke inspanningen in het transport van koolstof nanobuisjes, deze voorspellingen bleken moeilijk te valideren, voornamelijk vanwege de moeilijkheden bij het maken van CNT-poriën met een diameter van minder dan 1 nm.

Echter, het Lawrence Livermore-team samen met collega's van het Lawrence Berkeley National Lab en UC Berkeley was in staat om een ​​eenvoudig en veelzijdig experimenteel systeem te creëren voor het bestuderen van transport in ultrasmalle CNT-poriën. Ze gebruikten koolstof nanobuis porins (CNTP's), een technologie die ze eerder bij LLNL ontwikkelden, die koolstofnanobuisjes gebruikt die zijn ingebed in het lipidemembraan om de biologische ionkanaalfunctionaliteit na te bootsen. De belangrijkste doorbraak was de creatie van nanobuisporines met een diameter van minder dan 1 nm, waardoor onderzoekers voor het eerst echte eendimensionale wateropsluiting konden bereiken.