Op de eenvoudigste niveaus, nanoporiën zijn (nanometergrote) gaten in een isolerend membraan. Door het gat kunnen ionen door het membraan gaan wanneer er een spanning op staat, resulterend in een meetbare stroom. Wanneer een molecuul door een nanoporie gaat, veroorzaakt het een verandering in de stroom, dit kan worden gebruikt om individuele moleculen te karakteriseren en zelfs te identificeren. Nanoporiën zijn extreem krachtige biosensing-apparaten met één molecuul en kunnen worden gebruikt om DNA te detecteren en te sequencen, RNA, en zelfs eiwitten. Onlangs, het is gebruikt bij de SARS-CoV-2-virussequencing.

Solid-state nanoporiën zijn een uiterst veelzijdig type nanoporiën gevormd in ultradunne membranen (minder dan 50 nanometer), gemaakt van materialen zoals siliciumnitride (SiN _x ). Solid-state nanoporiën kunnen worden gemaakt met verschillende diameters en zijn bestand tegen een groot aantal omstandigheden. Een van de meest aansprekende technieken om nanoporiën te fabriceren is Controlled Breakdown (CBD). Deze techniek is snel, vermindert fabricagekosten, vereist geen gespecialiseerde apparatuur, en kan worden geautomatiseerd.

CBD is een techniek waarbij een elektrisch veld over het membraan wordt aangelegd om een ​​stroom op te wekken. Op een gegeven moment, een piek in de stroom wordt waargenomen, betekent porievorming. De spanning wordt dan snel verlaagd om de fabricage van een enkele, kleine nanoporiën.

De mechanismen die aan dit proces ten grondslag liggen, zijn niet volledig opgehelderd, dus heeft een internationaal team met ITQB NOVA besloten om verder te onderzoeken hoe elektrische geleiding door het membraan plaatsvindt tijdens een storing, namelijk hoe oxidatie- en reductiereacties (ook wel redoxreacties genoemd, ze impliceren elektronenverlies of -winst, respectievelijk) het proces beïnvloeden. Om dit te doen, het team creëerde drie apparaten waarin het elektrische veld wordt toegepast op het membraan (een siliciumrijke SiN _x membraan) op verschillende manieren:via metalen elektroden aan beide zijden van het membraan; via elektrolytoplossingen aan beide zijden van het membraan; en via een gemengd apparaat met aan de ene kant een metalen elektrode en aan de andere kant een elektrolytoplossing.

Resultaten toonden aan dat redoxreacties moeten plaatsvinden op het membraan-elektrolyt-interface, terwijl de metalen elektroden deze behoefte omzeilen. Het team toonde ook aan dat vanwege dit fenomeen fabricage van nanoporiën kan in bepaalde regio's worden gelokaliseerd door CBD uit te voeren met metalen micro-elektroden op het membraanoppervlak. Eindelijk, door het gehalte aan silicium in het membraan te variëren, de onderzoekers toonden aan dat geleiding en vorming van nanoporiën sterk afhankelijk is van het membraanmateriaal omdat het de elektrische stroom in het membraan beperkt.

"Het beheersen van de locatie van nanoporiën is al een aantal jaren interessant voor ons", zegt James Yates. Pedro Sousa voegt eraan toe dat "onze bevindingen suggereren dat CBD kan worden gebruikt om poriën te integreren met complementaire micro- of nanostructuren, zoals tunnelelektroden of veldeffectsensoren, over een reeks verschillende membraanmaterialen."  Deze apparaten kunnen vervolgens worden gebruikt voor de detectie van specifieke moleculen, zoals eiwitten, DNA, of antilichamen, en toegepast op een breed scala aan scenario's, inclusief pandemisch toezicht of voedselveiligheid.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Klein .