Het menselijk brein is een enorm netwerk van miljarden biologische cellen, neuronen genaamd, die elektrische signalen afvuren die informatie verwerken, resulterend in onze zintuigen en gedachten. De ionenkanalen van atomaire schaal in elk celmembraan van neuronen spelen een sleutelrol bij dergelijke ontstekingen die de ionenstroom in een individuele cel openen en sluiten door de elektrische spanning die over het celmembraan wordt aangelegd, fungeren als een 'biologische transistor' vergelijkbaar met elektronische transistors in computers. Al decenia, wetenschappers hebben geleerd dat biologische ionenkanalen levenstransistors zijn die in staat zijn om extreem snelle en nauwkeurig selectieve permeatie van ionen door de selectiviteitsfilters op atomaire schaal te sturen om vitale levende functies te behouden. Echter, het blijft tot op heden een grote uitdaging om kunstmatige structuren te produceren om dergelijke biologische systemen na te bootsen voor fundamenteel begrip en praktische toepassingen.

Onderzoekers onder leiding van professor Xiang Zhang, de voorzitter van de Universiteit van Hong Kong (HKU), hebben een ionentransistor op atomaire schaal ontwikkeld op basis van elektrisch gepoorte grafeenkanalen met een breedte van ongeveer 3 angstrom die zeer selectief ionentransport aantoonden. Ze ontdekten ook dat ionen honderd keer sneller bewegen in zo'n klein kanaal dan in bulkwater.

Deze doorbraak, onlangs gemeld in Wetenschap , biedt niet alleen fundamenteel begrip van snelle ionenzeven op atomaire schaal, maar leidt ook tot zeer schakelbaar ultrasnel ionentransport dat belangrijke toepassingen kan vinden in elektrochemische en biomedische toepassingen.

"Deze innovatieve ionentransistor demonstreert elektrisch schakelen van ultrasnel en tegelijkertijd selectief ionentransport via atomaire kanalen zoals biologische ionkanalen die in onze hersenen functioneren, "Zei hoofdonderzoeker professor Xiang Zhang. "Het verdiept ons fundamentele begrip van ionentransport bij ultrakleine limieten en zal een aanzienlijke impact hebben op belangrijke toepassingen zoals ontzilting van zeewater en medische dialyse."

De ontwikkeling van kunstmatige ionenkanalen met behulp van traditionele poriestructuren werd gehinderd door de wisselwerking tussen permeabiliteit en selectiviteit voor ionentransport. Poriëngroottes die groter zijn dan de diameters van gehydrateerde ionen maken de ionselectiviteit grotendeels verdwenen. Verhoogde selectiviteit van eenwaardige metaalionen kan worden bereikt met nauwkeurig gecontroleerde kanaalafmetingen op angströmschaal. Echter, deze kanalen op angströmschaal sluiten de snelle diffusie aanzienlijk uit vanwege sterische weerstand voor gehydrateerde ionen om smallere kanaalruimte binnen te gaan.

"We observeerden ultrasnel selectief ionentransport door het grafeenkanaal op atomaire schaal met een effectieve diffusiecoëfficiënt zo hoog als Deff ≈ 2.0 x 10 ^-7 m ² /s." zei hoofdauteur Yahui Xue, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in de groep van professor Zhang. "Voor zover wij weten, dit is de snelste diffusie die wordt waargenomen bij concentratiegedreven ionenpermeatie door kunstmatige membranen en overtreft zelfs de intrinsieke diffusiecoëfficiënt die wordt waargenomen in biologische kanalen."

Wetenschappers uit Hong Kong en UC Berkeley gebruikten voor het eerst poortspanning om het oppervlaktepotentieel van grafeenkanalen te regelen en realiseerden een ultrahoge dichtheid van ladingsverpakking in deze kanalen. De naburige ladingen vertonen een sterke elektrostatische interactie met elkaar. Dit resulteert in een dynamische laad-evenwichtstoestand, zodat het inbrengen van een lading vanaf het ene uiteinde van het kanaal zou leiden tot het uitwerpen van een andere aan het andere uiteinde. De resulterende gecoördineerde ladingsbeweging verbetert de algehele transportsnelheid en efficiëntie aanzienlijk.

"Onze in situ optische metingen onthulden een ladingsdichtheid van wel 1,8 x 10 ¹⁴ /cm ² bij de grootste aangelegde poortspanning." zei Yang Xia, een voormalig Ph.D. student in de groep van professor Zhang. "Het is verrassend hoog, en onze gemiddelde veldtheoretische modellering suggereert dat het ultrasnelle ionentransport wordt toegeschreven aan een zeer dichte pakking van ionen en hun gezamenlijke beweging in de grafeenkanalen."

De ionentransistor op atomaire schaal heeft ook een superieur schakelvermogen aangetoond, vergelijkbaar met die in biologische kanalen, afkomstig van een drempelgedrag geïnduceerd door de kritische energiebarrière voor het inbrengen van gehydrateerde ionen. De kleinere kanaalgrootte dan de hydratatiediameters van alkalimetaalionen creëert een intrinsieke energiebarrière die het binnendringen van ionen in de open circuit-toestand verbiedt. Door elektrische potentiaal toe te passen, de hydratatieschaal kan worden vervormd of gedeeltelijk worden weggestreept om de ionen-entree-energiebarrière te overwinnen, waardoor ionenintercalatie en uiteindelijk permeabel ionentransport voorbij een percolatiedrempel mogelijk worden.

Het grafeenkanaal op atomaire schaal was gemaakt van een enkele vlok gereduceerd grafeenoxide. Deze configuratie heeft het voordeel van intacte laagstructuren voor fundamenteel eigendomsonderzoek en behoudt ook een grote flexibiliteit voor opschaling van fabricage in de toekomst.

De selectievolgorde van alkalimetaalionen door de iontransistor op atomaire schaal bleek te lijken op die van biologische kaliumkanalen. Dit impliceert ook een controlemechanisme dat vergelijkbaar is met biologische systemen, die ionen uitdroging en elektrostatische interactie combineert.

Dit werk is een fundamentele doorbraak in de studie van ionentransport door vaste poriën op atomaire schaal. De integratie van de iontransistors op atomaire schaal in grootschalige netwerken kan het zelfs mogelijk maken om opwindende kunstmatige neurale systemen en zelfs hersenachtige computers te produceren.