Wetenschappers van SANKEN (het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek) van de Universiteit van Osaka hebben de thermische effecten van ionenstroom door een nanoporie gemeten met behulp van een thermokoppel. Ze ontdekten dat onder de meeste omstandigheden zowel de stroom als het verwarmingsvermogen varieerden met de aangelegde spanning, zoals voorspeld door de wet van Ohm. Dit werk kan leiden tot meer geavanceerde sensoren op nanoschaal.

Nanoporiën, kleine openingen in een membraan die zo klein zijn dat er maar een enkele DNA-streng of virusdeeltje doorheen kan, vormen een opwindend nieuw platform voor het bouwen van sensoren. Vaak wordt tussen de twee zijden van het membraan een elektrische spanning aangelegd om de te analyseren stof door de nanoporie te trekken. Tegelijkertijd kunnen geladen ionen in de oplossing worden getransporteerd, maar hun effect op de temperatuur is niet uitgebreid onderzocht. Een directe meting van de thermische effecten die door deze ionen worden veroorzaakt, kan nanoporiën praktischer maken als sensoren.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Osaka een thermokoppel gemaakt van nanodraden van goud en platina met een contactpunt van slechts 100 nm groot dat als thermometer diende. Het werd gebruikt om de temperatuur direct naast een nanoporie te meten die in een 40 nm dikke film was gesneden die op een siliciumwafel was gehangen.

Joule-verwarming treedt op wanneer elektrische energie wordt omgezet in warmte door de weerstand in een draad. Dit effect treedt op in broodroosters en elektrische fornuizen en kan worden gezien als inelastische verstrooiing door de elektronen wanneer ze botsen met de kernen van de draad. In het geval van een nanoporie ontdekten de wetenschappers dat thermische energie werd gedissipeerd in verhouding tot het momentum van de ionenstroom, wat in overeenstemming is met de voorspellingen van de wet van Ohm. Bij het bestuderen van een nanoporie van 300 nm, registreerden de onderzoekers de ionenstroom van een met fosfaat gebufferde zoutoplossing als een functie van de aangelegde spanning. "We hebben bijna ohms gedrag aangetoond onder een breed scala aan experimentele omstandigheden", zegt eerste auteur Makusu Tsutsui.

Met kleinere nanoporiën werd het verwarmingseffect meer uitgesproken, omdat er minder vloeistof van de koelere kant kon passeren om de temperatuur gelijk te maken. Als gevolg hiervan zou de verwarming een niet te verwaarlozen effect kunnen hebben, waarbij nanoporiën onder standaard bedrijfsomstandigheden een temperatuurstijging van enkele graden ervaren. "We verwachten de ontwikkeling van nieuwe nanoporiënsensoren die niet alleen virussen kunnen identificeren, maar ze ook tegelijkertijd kunnen uitschakelen", zegt senior auteur Tomoji Kawai. De onderzoekers stelden andere situaties voor waarin de verwarming gunstig kan zijn, bijvoorbeeld om te voorkomen dat de nanoporie verstopt raakt door een polymeer, of om de DNA-strengen waarvan de sequentie wordt bepaald te scheiden.

Het artikel, "Ionische warmteafvoer in vastestofporiën", is gepubliceerd in Science Advances . + Verder verkennen

In situ extractie en detectie van DNA met behulp van nanoporiën