Onderzoekers van het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester in het VK zijn er voor het eerst in geslaagd kunstmatige kanalen te maken die slechts één atoom groot zijn. De nieuwe haarvaten, die erg lijken op natuurlijke eiwitkanalen zoals aquaporines, zijn klein genoeg om de stroom van kleinste ionen zoals Na+ en Cl- te blokkeren, maar laten water vrij doorstromen. Naast het verbeteren van ons fundamentele begrip van moleculair transport op atomaire schaal, en vooral in biologische systemen, de structuren zouden ideaal kunnen zijn in ontziltings- en filtratietechnologieën.

"Blijkbaar, het is onmogelijk om haarvaten kleiner dan één atoom te maken, " legt teamleider Sir Andre Geim uit. "Onze prestatie leek bijna onmogelijk, zelfs achteraf en het was een paar jaar geleden moeilijk om zulke kleine haarvaten voor te stellen."

Natuurlijk voorkomende eiwitkanalen, zoals aquaporines, laat water er snel doorheen dringen, maar blokkeer gehydrateerde ionen die groter zijn dan ongeveer 7 A dankzij mechanismen zoals sterische (grootte) uitsluiting en elektrostatische afstoting. Onderzoekers hebben geprobeerd kunstmatige haarvaten te maken die net zo werken als hun natuurlijke tegenhangers, maar ondanks veel vooruitgang bij het maken van poriën en nanobuisjes op nanoschaal, al dergelijke structuren zijn tot op heden nog steeds veel groter dan biologische kanalen.

Geim en collega's hebben nu kanalen gefabriceerd die slechts 3,4 A hoog zijn. Dit is ongeveer de helft van de kleinste gehydrateerde ionen, zoals K+ en Cl-, die een diameter hebben van 6,6 A. Deze kanalen gedragen zich net als eiwitkanalen doordat ze klein genoeg zijn om deze ionen te blokkeren, maar groot genoeg om watermoleculen (met een diameter van ongeveer 2,8 A) vrijelijk door te laten stromen.

De structuren kunnen, belangrijk, helpen bij de ontwikkeling van kosteneffectieve, high-flux filters voor waterontzilting en aanverwante technologieën - een heilige graal voor onderzoekers in het veld.

Lego op atoomschaal

Door hun bevindingen in Science te publiceren, maakten de onderzoekers hun structuren met behulp van een van der Waals-assemblagetechniek, ook bekend als "Lego op atomaire schaal", die is uitgevonden dankzij onderzoek naar grafeen. "We klieven atomair platte nanokristallen met een dikte van slechts 50 en 200 nanometer van bulkgrafiet en plaatsen vervolgens stroken monolaag grafeen op het oppervlak van deze nanokristallen, " legt Dr. Radha Boya uit, een co-auteur van het onderzoeksartikel. "Deze stroken dienen als afstandhouders tussen de twee kristallen wanneer er vervolgens een soortgelijk atomair vlak kristal bovenop wordt geplaatst. Het resulterende drielaagse samenstel kan worden gezien als een paar randdislocaties verbonden met een platte leegte ertussen. Deze ruimte biedt plaats aan slechts één atomaire laag water."

Het gebruik van de grafeenmonolagen als spacers is een primeur en dit is wat de nieuwe kanalen anders maakt dan eerdere structuren, ze zegt.

De wetenschappers van Manchester ontwierpen hun 2D-capillairen met een breedte van 130 nm en een lengte van enkele microns. Ze monteerden ze bovenop een siliciumnitridemembraan dat twee geïsoleerde containers van elkaar scheidde om ervoor te zorgen dat de kanalen de enige weg waren waardoor water en ionen konden stromen.

Tot nu, onderzoekers hadden alleen water kunnen meten dat stroomde door haarvaten met veel dikkere afstandhouders (ongeveer 6,7 A hoog). En hoewel sommige van hun moleculaire dynamica-simulaties aangaven dat kleinere 2D-holten zouden moeten instorten vanwege de aantrekkingskracht van Van der Waals tussen de tegenoverliggende muren, andere berekeningen wezen op het feit dat watermoleculen in de spleten daadwerkelijk als ondersteuning kunnen dienen en zelfs kunnen voorkomen dat zelfs één atoomhoge spleten (slechts 3,4 A hoog) naar beneden vallen. Dit is inderdaad wat het Manchester-team nu heeft gevonden in zijn experimenten.

Water- en ionenstroom meten

"We hebben de waterpermeatie door onze kanalen gemeten met behulp van een techniek die bekend staat als gravimetrie, "zegt Radha. "Hier, we laten water in een kleine afgesloten container uitsluitend via de haarvaten verdampen en meten vervolgens nauwkeurig (op microgram nauwkeurig) hoeveel gewicht de container verliest over een periode van enkele uren."

Om dit te doen, de onderzoekers zeggen dat ze een groot aantal kanalen (meer dan honderd) parallel hebben gebouwd om de gevoeligheid van hun metingen te vergroten. Ze gebruikten ook dikkere topkristallen om doorzakken te voorkomen, en knipte de bovenste opening van de haarvaten af ​​(met behulp van plasma-etsen) om eventuele verstoppingen door hier aanwezige dunne randen te verwijderen.

Om de ionenstroom te meten, ze dwongen ionen om door de haarvaten te bewegen door een elektrisch veld aan te leggen en vervolgens de resulterende stromen te meten. "Als onze haarvaten twee atomen hoog waren, we ontdekten dat kleine ionen vrij door ze kunnen bewegen, net als wat er gebeurt in bulkwater, " zegt Radha. "In tegenstelling, geen ionen konden door onze uiteindelijk kleine kanalen van één atoom hoog gaan.

"De uitzondering waren protonen, waarvan bekend is dat ze door water bewegen als echte subatomaire deeltjes, in plaats van ionen gekleed in relatief grote hydratatieschalen met een diameter van enkele angstrom. Onze kanalen blokkeren dus alle gehydrateerde ionen, maar laten protonen door."

Aangezien deze capillairen zich op dezelfde manier gedragen als eiwitkanalen, ze zullen belangrijk zijn voor een beter begrip van hoe water en ionen zich gedragen op moleculaire schaal - zoals in biologische filters op angströmschaal. "Ons werk (zowel het huidige als het vorige) laat zien dat atomair beperkt water heel andere eigenschappen heeft dan die van bulkwater, " legt Geim uit. "Bijvoorbeeld het wordt sterk gelaagd, heeft een andere structuur, en vertoont radicaal verschillende diëlektrische eigenschappen."