La superficie di una singola cellula contiene centinaia di minuscoli pori, o canali ionici, ognuno dei quali è un portale per ioni specifici. I canali ionici sono tipicamente larghi circa 1 nanometro; mantenendo il giusto equilibrio di ioni, mantengono le cellule sane e stabili.

Ora i ricercatori del MIT hanno creato minuscoli pori in singoli fogli di grafene che hanno una serie di preferenze e caratteristiche simili a quelle dei canali ionici nelle cellule viventi.

Ogni poro di grafene è largo meno di 2 nanometri, rendendoli tra i pori più piccoli attraverso i quali gli scienziati abbiano mai studiato il flusso ionico. Ciascuno è anche univocamente selettivo, preferendo trasportare alcuni ioni rispetto ad altri attraverso lo strato di grafene.

"Quello che vediamo è che c'è molta diversità nelle proprietà di trasporto di questi pori, il che significa che c'è molto potenziale per adattare questi pori a diverse applicazioni o selettività, "dice Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica al MIT.

Karnik afferma che i nanopori di grafene potrebbero essere utili come sensori, ad esempio rilevamento di ioni di mercurio, potassio, o fluoro in soluzione. Tali membrane iono-selettive possono essere utili anche nell'estrazione mineraria:in futuro, potrebbe essere possibile realizzare nanopori di grafene in grado di eliminare tracce di ioni d'oro da altri ioni metallici, come argento e alluminio.

Karnik e l'ex studente laureato Tarun Jain, insieme a Benjamin Rasera, Riccardo Guerrero, Michael Boutilier, e Sean O'Hern del MIT e Juan-Carlos Idrobo dell'Oak Ridge National Laboratory, pubblicano i loro risultati oggi sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Personalità dinamica

Nelle cellule viventi, la diversità dei canali ionici può derivare dalla dimensione e dalla precisa disposizione atomica dei canali, che sono leggermente più piccoli degli ioni che li attraversano.

"Quando i nanopori diventano più piccoli della dimensione idratata dello ione, poi inizi a vedere emergere comportamenti interessanti, " dice Giain.

In particolare, ioni idratati, o ioni in soluzione, sono circondati da un guscio di molecole d'acqua che si attaccano allo ione, a seconda della sua carica elettrica. La capacità di uno ione idratato di passare attraverso un determinato canale ionico dipende dalle dimensioni e dalla configurazione di quel canale su scala atomica.

Karnik sosteneva che il grafene sarebbe stato un materiale adatto in cui creare canali ionici artificiali:un foglio di grafene è un reticolo ultrasottile di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, quindi i pori nel grafene sono definiti su scala atomica.

Per creare pori nel grafene, il gruppo ha utilizzato la deposizione chimica da vapore, un processo tipicamente utilizzato per produrre film sottili. Nel grafene, il processo crea naturalmente piccoli difetti. I ricercatori hanno utilizzato il processo per generare pori di dimensioni nanometriche in vari fogli di grafene, che aveva una somiglianza con il formaggio svizzero ultrasottile.

I ricercatori hanno quindi isolato i singoli pori posizionando ogni foglio di grafene su uno strato di nitruro di silicio che era stato perforato da un fascio di ioni, il cui diametro è leggermente inferiore alla distanza tra i pori del grafene. Il gruppo ha ragionato sul fatto che qualsiasi ione che scorre attraverso la configurazione a due strati sarebbe probabilmente passato prima attraverso un singolo poro di grafene, e poi attraverso il foro di nitruro di silicio più grande.

Il gruppo ha misurato i flussi di cinque diversi ioni di sale attraverso diverse configurazioni di fogli di grafene applicando una tensione e misurando la corrente che scorre attraverso i pori. Le misurazioni della tensione di corrente variavano ampiamente da poro a poro, e di ione in ione, con alcuni pori che rimangono stabili, mentre altri oscillavano avanti e indietro in conduttanza, un'indicazione che i pori erano diversi nelle loro preferenze per consentire il passaggio di determinati ioni.

"L'immagine che emerge è che ogni poro è diverso e che i pori sono dinamici, " dice Karnik. "Ogni poro inizia a sviluppare la propria personalità".

Nuova frontiera

Karnik e Jain hanno quindi sviluppato un modello per interpretare le misurazioni, e lo usò per tradurre le misurazioni dell'esperimento in stime della dimensione dei pori. In base al modello, hanno scoperto che il diametro di molti dei pori era inferiore a 1 nanometro, che, dato lo spessore di un singolo atomo di grafene, li rende tra i pori più piccoli attraverso i quali gli scienziati hanno studiato il flusso di ioni.

Con il modello, il gruppo ha calcolato l'effetto di vari fattori sul comportamento dei pori, e ha scoperto che il comportamento dei pori osservato è stato catturato da tre caratteristiche principali:la dimensione di un poro, la sua carica elettrica, e la posizione di tale carica lungo la lunghezza di un poro.

Sapendo questo, i ricercatori potrebbero un giorno essere in grado di adattare i pori su scala nanometrica per creare membrane ioniche specifiche per applicazioni come il rilevamento ambientale e l'estrazione di tracce di metalli.

"È una specie di nuova frontiera nelle tecnologie delle membrane, e nel comprendere il trasporto attraverso questi piccolissimi pori in materiali ultrasottili, " dice Karnik.