De moderne beschaving vertrouwt op de onsamendrukbaarheid van water - het is iets dat we als vanzelfsprekend beschouwen. Hydraulische systemen maken gebruik van de virtuele niet-samendrukbaarheid van vloeistoffen zoals water of olie om de mechanische kracht te vermenigvuldigen. Bulldozers, kranen, en andere zware machines maken gebruik van de fysica van de hydraulica, net als autoremmen, brand sprinklerinstallaties, en gemeentelijke water- en afvalsystemen. Er is buitengewone druk nodig om water samen te persen. Zelfs op de bodem van de diepste oceanen, twee en een halve mijl onder het oppervlak, waar de druk gelijk is aan ongeveer 1000 atmosfeer, water wordt met slechts 5 procent gecomprimeerd.

Maar nu hebben wetenschappers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign nieuwe fysica voorspeld die de compressie van water onder een elektrisch veld met hoge gradiënt regelt.

Natuurkundeprofessor Aleksei Aksimentiev en zijn postdoctoraal onderzoeker James Wilson ontdekten dat een hoog elektrisch veld toegepast op een klein gaatje in een grafeenmembraan de watermoleculen die door de porie reizen met 3 procent zou samendrukken. De voorspelde watercompressie kan uiteindelijk nuttig blijken bij het zeer nauwkeurig filteren van biomoleculen voor biomedisch onderzoek.

Deze bevindingen werden op 26 juni gepubliceerd, 2018, in Fysieke beoordelingsbrieven (120, 268101) als suggestie van een redacteur. Aksimentiev merkt op, "Dit is een onverwacht fenomeen, in tegenstelling tot wat we dachten te weten over nanoporiëntransport. Het duurde drie jaar om erachter te komen wat de simulaties ons lieten zien. Na het verkennen van vele mogelijke oplossingen, de doorbraak kwam toen we ons realiseerden dat we niet moeten aannemen dat water onsamendrukbaar is. Nu we begrijpen wat er in de computersimulaties gebeurt, we zijn in staat om dit fenomeen in theoretische berekeningen te reproduceren."

De wetenschappers voerden deze studie uit om nieuwe methoden te testen in grafeen-nanopore DNA-sequencing. In de afgelopen paar jaar, grafeen nanoporiën hebben een enorme belofte getoond voor goedkope DNA-sequencing. De manier waarop het werkt, DNA wordt gesuspendeerd in water en dan het DNA, water en ionen worden door een elektrisch veld door een klein gaatje in een grafeenmembraan getrokken. Het elektrische veld dat over de grafeenplaat wordt aangelegd, trekt de opgeloste ionen en alle geladen deeltjes aan - DNA is een negatief geladen deeltje. De vier nucleobasen van het DNA worden gelezen als de verschillen in de stroom van ionen die elk afzonderlijk gevormde nucleobase produceert.

De grootte van het gat en de dunheid van de plaat zijn cruciaal voor deze methode. De grafeenplaat is slechts één atoom dik, de diameter van de nanoporie meet slechts ongeveer 3 nanometer of de breedte van 10 atomen, en de DNA-moleculen zijn ongeveer 2 nanometer breed.

In dit onderzoek, Aksimentiev en Wilson wilden een computermodel ontwikkelen waarmee ze de snelheid van het transport van DNA door een grafeen-nanoporie zouden kunnen regelen. Ze wisten dat het verhogen van het aangelegde elektrische veld de transportsnelheid met hetzelfde veelvoud zou verhogen, maar toen zij het veld vertienvoudigden, het DNA was volledig geblokkeerd om door het gat te gaan.

Wilson beschrijft wat hij in de simulatie zag:"We probeerden te zien of we de lading op het grafeenblad veranderden, of dat de vangstsnelheid van het DNA zou veranderen zoals voorspeld. Onze simulaties toonden aan dat het DNA door de nanopore gaat zoals verwacht bij lagere elektrische velden, maar als je 1 volt toepast, het DNA ziet eruit alsof het boven de nanopore danst - alsof het er doorheen wil, maar om de een of andere reden kan dat niet.

"Het blijkt dat de gradiënt van het elektrische veld het water comprimeert, omdat water een diëlektricum is. Een zeer hoog elektrisch veld zal dit niet doen, alleen een veld dat in de ruimte verandert. De ladingen op het watermolecuul komen overeen met het elektrische veld, en de ladingen die dichterbij zijn waar het elektrische veld het grootst is, worden harder getrokken dan de ladingen dichter bij waar het elektrische veld het zwakst is."

Aksimentiev voegt toe, "Dit alles werkt alleen omdat het membraan zo dun is, en het elektrische veld is gefocust waar het membraan is, het watermolecuul van beide kanten samendrukken. De compressie is slechts 3 procent, but that pressurizes the water—it's equivalent to 100 atmospheres—and the pressure basically pushes the DNA back so that it cannot travel through the nanopore."Wilson continues, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."