Un diagramma di uno degli allestimenti sperimentali del gruppo mostra una piastra di rame che può essere riscaldata utilizzando una torcia al di sotto di essa, per studiare l'effetto della temperatura sul processo. Sopra il piatto, un apparato costituito da due serbatoi separati da una struttura di silicio che ha al di sopra un singolo nanotubo di carbonio. Quando una fonte di alimentazione è collegata agli elettrodi (i fili che si estendono dal dispositivo), molecole cariche (ioni) da uno dei serbatoi possono passare attraverso il tubo, e il suo progresso può essere monitorato utilizzando un microscopio elettronico a scansione. Credito:Choi et al.
Come un pisello che passa attraverso una cannuccia, minuscole molecole possono passare attraverso cilindri microscopici noti come nanotubi. Questo potrebbe essere potenzialmente utilizzato per selezionare le molecole in base alle dimensioni, ad esempio purificare l'acqua consentendo il passaggio delle molecole d'acqua bloccando il sale o altre sostanze.
Ora, ricercatori del MIT, L'Università di Seoul in Corea e l'Ursinus College in Pennsylvania hanno scoperto che tali tubi sono più selettivi di quanto si pensasse:molecole di una dimensione precisa possono sfrecciare cinque volte più velocemente di quelle un po' più piccole o più grandi. Le nuove scoperte sono pubblicate sulla rivista Comunicazioni sulla natura dal professore del MIT Michael Strano, studenti laureati Wonjoon Choi e Zachary Ulissi, e altri tre.
Questa dipendenza dalle dimensioni nel trasporto dei nanotubi era completamente inaspettata, dice Strano, professore di ingegneria chimica al MIT. "Questo lavoro illustra come il trasporto nei pori di questo tipo rimanga esotico e relativamente inesplorato, " lui dice.
Il team "ha esaminato il trasporto di ioni attraverso i singoli nanopori più piccoli che sono stati studiati, "Dice Strano. I nanotubi di carbonio che hanno studiato avevano larghezze comprese tra 0,9 e 2 nanometri, circa il diametro di un'elica del DNA, ed erano lunghi circa 1 millimetro.
"Ciò che abbiamo scoperto non era previsto dalla teoria, " dice:Fino a un certo diametro, il flusso di ioni attraverso un nanotubo aumentava costantemente, ma poi oltre quel diametro, il flusso è diminuito. "La dipendenza è una trama a forma di vulcano, "dice Strano.
Il picco di flusso, al centro di quella trama, consente un trasporto cinque volte maggiore del trasporto a diametri più piccoli o più grandi. "I risultati sperimentali sono controintuitivi, "Strano dice, "che sembra esserci un diametro ottimale."
Questa dipendenza dalle dimensioni del trasporto potrebbe rivelarsi utile in una varietà di tecnologie, egli propone, comprese le celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM), dove le molecole di ossigeno o idrogeno devono passare attraverso minuscoli pori in una membrana per produrre elettricità. Un'altra potenziale applicazione è nei dispositivi di sequenziamento del DNA, dove i segmenti di DNA tipicamente sfrecciano attraverso i pori troppo velocemente per essere analizzati. La nuova comprensione potrebbe fornire un metodo per "sintonizzare" la velocità di transito per rallentare le sequenze di DNA abbastanza per l'analisi.
L'inaspettata dipendenza dalle dimensioni risulta da due fenomeni, Strano suggerisce. Secondo una teoria sviluppata dal team, c'è prima una forza attrattiva, in cui la carica elettrica degli ioni fa sì che vengano trascinati da un campo elettrico attraverso il poro. Poiché gli ioni e i tubi sono tutti immersi nell'acqua, anche un po' d'acqua viene trascinata.
Fino a un certo diametro, quelle molecole d'acqua formano uno strato, o alcuni strati, intorno allo ione e vengono trascinati con esso, la squadra teorizza. Ma quando l'apertura diventa più grande, l'acqua si comporta come un materiale sfuso, rallentando il passaggio degli ioni. "Questa spiegazione è coerente con le nostre osservazioni sperimentali e simulazioni molecolari dell'acqua all'interno di nanotubi di questo tipo, " Dice Strano, sebbene sottolinei che mentre i dati sul flusso di ioni sono chiari, è necessario ulteriore lavoro teorico per comprendere appieno questo processo.
La scoperta può aiutare nella progettazione di membrane migliori per la desalinizzazione dell'acqua. Il problema più grande con le membrane odierne è il compromesso tra selettività e velocità di flusso:i pori più grandi consentono all'acqua di fluire più velocemente, ma sono meno selettivi. La risposta non lineare dei nanotubi può fornire un modo per aggirare questo problema.
"I risultati suggeriscono che utilizzando nanopori di un diametro specifico, può essere possibile ottenere la massima selettività con il massimo rendimento" ottimizzando la dimensione dei pori, Strano dice.
Il lavoro potrebbe anche portare a nuovi sensori in grado di rilevare contaminanti specifici nell'acqua, dice la squadra. Per esempio, la contaminazione da arsenico delle acque sotterranee è un grave problema per la salute in alcune regioni, ma non esiste un modo affidabile per testare le concentrazioni di arsenico nell'acqua. La selettività dei nanotubi potrebbe consentire di progettare un semplice rivelatore in grado di misurare tale contaminazione, Strano dice.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
