Dicono che sono le piccole cose che contano, e questo è certamente vero per i canali nelle proteine ​​transmembrana, che sono abbastanza piccoli da consentire il passaggio di ioni o molecole di una certa dimensione, tenendo fuori gli oggetti più grandi. I nanocanali fluidici artificiali che imitano le capacità delle proteine ​​transmembrana sono molto apprezzati per una serie di tecnologie avanzate. Però, è stato difficile realizzare singoli canali artificiali di queste dimensioni, fino ad ora.

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sono stati in grado di fabbricare nanocanali di soli due nanometri (2-nm) di dimensione, utilizzando processi di produzione di semiconduttori standard. Hanno già usato questi nanocanali per scoprire che la meccanica dei fluidi per passaggi così piccoli è significativamente diversa non solo dai canali di grandi dimensioni, ma anche da canali di appena 10 nanometri.

"Siamo stati in grado di studiare il trasporto ionico nei nostri nanocanali a 2 nm misurando la dipendenza dal tempo e dalla concentrazione della conduttanza ionica, "dice Arun Majumdar, Direttore dell'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata del DOE – Energia (ARPA-E), che ha condotto questa ricerca mentre era ancora uno scienziato al Berkeley Lab. "Abbiamo osservato un tasso molto più elevato di mobilità protonica e ionica nei nostri canali idratati confinati, fino a un aumento di quattro volte rispetto a quello nei nanocanali più grandi (da 10 a 100 nm). Questo trasporto di protoni potenziato potrebbe spiegare l'elevato rendimento di protoni nella membrana transmembrana". canali."

Majumdar è coautore con Chuanhua Duan, un membro del gruppo di ricerca di Majumdar presso l'Università della California (UC) Berkeley, di un articolo su questo lavoro, che è stato pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura . Il documento è intitolato "Trasporto ionico anomalo in nanocanali idrofili a 2 nm".

Nella loro carta, Majumdar e Duan descrivono una tecnica in cui l'incisione ionica ad alta precisione è combinata con il legame anodico per fabbricare canali di dimensioni e geometria specifiche su un die silicio su vetro. Per evitare che il canale collassi sotto le forti forze elettrostatiche del processo di legame anodico, uno spesso strato di ossido (500 nm) è stato depositato sul substrato di vetro.

"Questa fase di deposizione e la successiva fase di incollaggio hanno garantito il successo della sigillatura del canale senza collassare, " dice Duan. "Dovevamo anche scegliere la temperatura giusta, voltaggio e periodo di tempo per garantire un incollaggio perfetto. Paragono il processo alla cottura di una bistecca, bisogna scegliere il condimento giusto, il tempo e la temperatura giusti. La deposizione dello strato di ossido è stata per noi il condimento giusto".

I canali di dimensioni nanometriche nelle proteine ​​transmembrana sono fondamentali per controllare il flusso di ioni e molecole attraverso le pareti esterne ed interne di una cellula biologica, quale, a sua volta, sono fondamentali per molti dei processi biologici che sostengono la cellula. Come le loro controparti biologiche, i nanocanali fluidici potrebbero svolgere ruoli critici nel futuro delle celle a combustibile e delle batterie.

"Il trasporto ionico potenziato migliora la densità di potenza e la densità energetica pratica delle celle a combustibile e delle batterie, " dice Duan. "Sebbene la densità di energia teorica nelle celle a combustibile e nelle batterie sia determinata dai materiali elettrochimici attivi, la densità di energia pratica è sempre molto più bassa a causa della perdita di energia interna e dell'utilizzo di componenti inattivi. Il trasporto di ioni potenziato potrebbe ridurre la resistenza interna nelle celle a combustibile e nelle batterie, che ridurrebbe la perdita di energia interna e aumenterebbe la densità di energia pratica."

I risultati di Duan e Majumdar indicano che il trasporto ionico potrebbe essere notevolmente migliorato nelle nanostrutture idrofile a 2 nm a causa dei loro confini geometrici e delle elevate densità di carica superficiale. Come esempio, Duan cita il separatore, il componente posto tra il catodo e l'anodo nelle batterie e nelle celle a combustibile per impedire il contatto fisico degli elettrodi consentendo il trasporto ionico libero.

"I separatori di corrente sono per lo più strati microporosi costituiti da una membrana polimerica o da una stuoia di tessuto non tessuto, " Dice Duan. "Una membrana inorganica incorporata con una serie di nanocanali idrofili da 2 nm potrebbe essere utilizzata per sostituire i separatori di corrente e migliorare la potenza pratica e la densità di energia".

I nanocanali a 2 nm sono anche promettenti per applicazioni biologiche perché hanno il potenziale per essere utilizzati per controllare e manipolare direttamente soluzioni fisiologiche. Gli attuali dispositivi nanofluidici utilizzano canali di dimensioni comprese tra 10 e 100 nm per separare e manipolare le biomolecole. A causa di problemi con le interazioni elettrostatiche, questi canali più grandi possono funzionare con soluzioni artificiali ma non con soluzioni fisiologiche naturali.

"Per soluzioni fisiologiche con concentrazioni ioniche tipiche di circa 100 millimolari, la lunghezza dello screening Debye è di 1 nm, ", afferma Duan. "Poiché i doppi strati elettrici delle superfici a due canali si sovrappongono nei nostri nanocanali a 2 nm, tutte le attuali applicazioni biologiche che si trovano in nanocanali più grandi possono essere trasferite a nanocanali a 2 nm per veri media fisiologici".

Il prossimo passo per i ricercatori sarà studiare il trasporto di ioni e molecole in nanotubi idrofili che sono anche più piccoli di 2 nm. Si prevede che il trasporto ionico sarà ulteriormente potenziato dalla geometria più piccola e dalla maggiore forza di idratazione.

"Sto sviluppando una membrana inorganica con una matrice di nanotubi idrofili incorporati sub-2 nm che verrà utilizzata per studiare il trasporto ionico in elettroliti sia acquosi che organici, "dice Duan. "Sarà anche sviluppato come un nuovo tipo di separatore per batterie agli ioni di litio".