Een recente studie heeft licht geworpen op hoe nanokanalen selectief kaliumionen transporteren terwijl ze andere ionen uitsluiten. Dit fundamentele begrip van ionenselectiviteit zou de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van geavanceerde op nanoporiën gebaseerde apparaten voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder waterzuivering, detectie van biomoleculen en energieconversie.

Nanokanalen zijn poriën of kanalen op nanoschaal die kunnen worden gebruikt om de beweging van ionen en moleculen te controleren. Ze hebben aanzienlijke belangstelling getrokken op gebieden als nanotechnologie, chemie en biologie vanwege hun unieke eigenschappen en potentiële toepassingen. Het begrijpen van de mechanismen achter het selectieve transport van specifieke ionen door nanokanalen blijft echter een uitdagende taak.

In deze studie onderzochten onderzoekers van de Universiteit van Tokio en het RIKEN Center for Sustainable Resource Science de ionenselectiviteit van nanokanalen gevormd door zelf-geassembleerde cyclische peptiden. Met behulp van moleculaire dynamica-simulaties en vrije-energieberekeningen onderzochten ze de interacties tussen kaliumionen en de wanden van nanokanalen en vergeleken deze met andere alkalimetaalionen (lithium, natrium, rubidium en cesium).

Uit de simulaties bleek dat het nanokanaal een sterke voorkeur vertoont voor kaliumionen boven andere alkalimetaalionen. Deze selectiviteit wordt voornamelijk toegeschreven aan de specifieke interacties tussen de kaliumionen en de zuurstofatomen op het binnenoppervlak van het nanokanaal. Deze interacties zijn sterker voor kaliumionen vergeleken met andere alkalimetaalionen vanwege de juiste maat en ladingsdichtheid tussen kaliumionen en het nanokanaal.

Bovendien bleek uit de studie dat het nanokanaal effectief onderscheid kan maken tussen kaliumionen en andere alkalimetaalionen, zelfs in de aanwezigheid van hoge concentraties van andere ionen. Deze opmerkelijke selectiviteit wordt toegeschreven aan het coöperatieve effect van meerdere zuurstofatomen in het nanokanaal, die gezamenlijk bijdragen aan de binding en het transport van kaliumionen.

De onderzoekers onderzochten ook de effecten van de nanokanaalgrootte en de aangelegde spanning op de ionenselectiviteit. Ze ontdekten dat de ionenselectiviteit duidelijker wordt naarmate de grootte van het nanokanaal afneemt, en deze kan verder worden verbeterd door een geschikte spanningsvoorspanning over het nanokanaal aan te leggen.

De bevindingen van deze studie bieden waardevolle inzichten in de ionentransportmechanismen van nanokanalen en benadrukken hun potentieel voor selectief ionentransport en -scheiding. Het fundamentele inzicht dat uit dit onderzoek is verkregen, kan richting geven aan het rationele ontwerp en de optimalisatie van nanokanalen voor verschillende toepassingen, zoals ionenscheidingsmembranen, biosensoren en energie-efficiënte ontziltingssystemen.

Door de interacties tussen ionen en de wanden van nanokanalen te manipuleren, is het mogelijk om zeer selectief transport van specifieke ionen te bereiken, dat kan worden benut in een breed scala aan technologische ontwikkelingen en kan bijdragen aan het aanpakken van mondiale uitdagingen die verband houden met waterschaarste, energieverbruik en milieuproblemen. duurzaamheid.