Nanokanalen hebben belangrijke toepassingen in de medische biologie, voelen, en vele andere velden. Hoewel ingenieurs die werkzaam zijn op het gebied van nanotechnologie deze kleine, jarenlang buisachtige structuren, er is nog veel onbekend over hun eigenschappen en gedrag.

Nutsvoorzieningen, Universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Maryland Siddhartha Das en een groep van zijn Ph.D. studenten hebben verrassende nieuwe bevindingen in het tijdschrift gepubliceerd ACS Nano . Met behulp van simulaties op atomair niveau, Das en zijn team konden aantonen dat zowel de ladingseigenschappen als de door lading geïnduceerde vloeistofstroom binnen een gefunctionaliseerd nanokanaal zich niet altijd gedragen zoals verwacht.

"We hebben een nieuwe context ontdekt voor nanokanalen die gefunctionaliseerd zijn door hun binnenwanden te enten met geladen polymeermoleculen (ook bekend als polyelektrolyten of PE's), "Das zei, verwijzend naar het proces van het enten van polymeren of andere stoffen op het nanokanaal om het op een bepaalde manier te laten functioneren. "De functionalisering van nanokanalen is niet nieuw, maar we hebben een paradigmaverschuiving bedacht in termen van het begrijpen van het gedrag en de eigenschappen van dergelijke systemen in de context van hun ladingseigenschappen en hun vermogen om de vloeistofstroom te reguleren.

"Bijvoorbeeld, "Das zei, "we hebben een nieuw type stromingsgedrag ontdekt in dergelijke gefunctionaliseerde nanokanalen; door de grootte van het elektrische veld dat op een nanokanaal wordt toegepast te vergroten, de richting van deze door een elektrisch veld aangedreven stroming (vaak bekend als elektro-osmotische stroming) kan worden omgekeerd."

Het artikel van Das en zijn studenten beschrijft drie specifieke ontdekkingen. Ten eerste, dat lieten ze zien, wanneer polyelektrolyten (PE's) worden geënt in de vorm van een laag op de binnenwand van het nanokanaal, deze PE-laag zal, onder bepaalde omstandigheden, een verrassende omkering van elektrische lading ondergaan. Normaal gesproken, als er negatieve PE-moleculen aan het nanokanaal zijn gehecht, de nabijgelegen PE-laag zou een netto negatieve lading moeten hebben. Das en zijn leerlingen, echter, geïdentificeerde situaties waarin de lading wordt omgekeerd en de nettolading in de laag positief is vanwege de aantrekking van een groter aantal positieve ionen (dan nodig is om de lading van de PE-laag te screenen) in de laag - dit fenomeen staat bekend als "overscreening ."

Het team onderzocht vervolgens hoe deze overscreening de door een extern elektrisch veld aangedreven stroom (bekend als de elektro-osmotische of EOS-stroom) binnen het nanokanaal beïnvloedt. Ze vonden, verrassend genoeg, dat in dergelijke situaties de stroom wordt aangedreven door ionen met dezelfde lading als de Pes die op de kanaalwanden is geënt; dus, een negatief geladen polymeer creëert een netto positief veld in zijn omgeving, maar de stroom wordt aangedreven door de negatieve ionen.

"We noemen dit 'co-ion-gedreven elektro-osmose, ' en onze paper markeert de eerste keer dat dit fenomeen is geïdentificeerd, ' zei Das.

Eindelijk, het team demonstreerde de onverwachte resultaten van het opvoeren van de grootte van het elektrische veld:de PE-moleculen die aan het nanokanaal zijn bevestigd, worden vervormd, en de ionen die het geval van overscreening veroorzaakten, beginnen te ontsnappen uit de PE-laag. Hierdoor stopt de overscreening, en keert ook de stromingsrichting in het kanaal om:als het van links naar rechts bewoog, bijvoorbeeld, het schakelt naar rechts-links. "Niemand had dit voorspeld, ' zei Das.

De bevindingen zijn belangrijk, Das zei, omdat veel van de interesse in nanokanalen betrekking heeft op hun vermogen om moleculen te transporteren. "Omdat flow zo belangrijk is, een nieuwe ontdekking op dit gebied stelt ons in staat om voort te bouwen op ons begrip van hoe nanokanalen werken en wat we ermee kunnen doen, " zei Das. "Er zijn andere methoden om de stroom om te keren, maar tot nu toe was het niet bekend dat we dit kunnen bereiken door de veldsterkte te vergroten."