Per la prima volta, I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno dimostrato che i nanotubi di carbonio piccoli come otto decimi di nanometro di diametro possono trasportare protoni più velocemente dell'acqua sfusa, per ordine di grandezza.

La ricerca convalida un meccanismo di trasporto protonico vecchio di 200 anni.

Un nanometro è un miliardesimo di metro. A confronto, il diametro di un capello umano è 20, 000 nanometri.

Le velocità di trasporto in questi pori dei nanotubi, che formano fili d'acqua unidimensionali, superano anche quelli dei canali biologici e dei conduttori protonici artificiali, rendendo i nanotubi di carbonio il conduttore di protoni più veloce conosciuto. La ricerca appare nell'edizione online avanzata del 4 aprile della rivista Nanotecnologia della natura .

Le applicazioni pratiche includono membrane a scambio protonico, segnalazione basata sui protoni nei sistemi biologici e nel campo emergente della bioelettronica dei protoni (protonica).

"La cosa bella dei nostri risultati è che abbiamo scoperto che quando si spreme l'acqua nel nanotubo, i protoni si muovono attraverso quell'acqua ancora più velocemente che attraverso l'acqua normale (sfusa), " disse Aleksandr Noy, un biofisico LLNL e autore principale dell'articolo. (L'acqua sfusa è simile a quella che troveresti in una tazza d'acqua che è molto più grande delle dimensioni di una singola molecola d'acqua).

L'idea che i protoni viaggino velocemente nelle soluzioni saltando lungo catene di molecole d'acqua legate all'idrogeno risale a 200 anni fa, al lavoro di Theodore von Grotthuss e rimane ancora il fondamento della comprensione scientifica del trasporto dei protoni. Nella nuova ricerca, I ricercatori LLNL hanno utilizzato i pori dei nanotubi di carbonio per allineare le molecole d'acqua in catene unidimensionali perfette e hanno dimostrato che consentono alle velocità di trasporto dei protoni di avvicinarsi ai limiti ultimi per il meccanismo di trasporto di Grotthuss.

"La possibilità di ottenere un trasporto rapido di protoni modificando il grado di confinamento dell'acqua è entusiasmante, "Noy ha detto. "Finora, i conduttori di protoni artificiali, come il polimero Nafion, utilizzare un principio diverso per migliorare il trasporto di protoni. Abbiamo imitato il modo in cui i sistemi biologici migliorano il trasporto di protoni, ha portato all'estremo, e ora il nostro sistema realizza il limite ultimo della conduttività protonica in un nanoporo."

Di tutti i materiali artificiali, gli stretti pori interni idrofobici dei nanotubi di carbonio (CNT) sono la più promettente per fornire il livello di confinamento e le interazioni deboli con le molecole d'acqua che facilitano la formazione di catene d'acqua unidimensionali legate all'idrogeno che migliorano il trasporto di protoni.

Precedenti simulazioni di dinamica molecolare hanno mostrato che l'acqua in nanotubi di carbonio del diametro di 0,8 nm creerebbe tali fili d'acqua e prevedeva che questi canali avrebbero mostrato velocità di trasporto di protoni molto più veloci di quelle dell'acqua sfusa. Ramya Tunuguntla, un ricercatore post-dottorato LLNL e il primo autore dell'articolo, ha affermato che, nonostante gli sforzi significativi negli studi sul trasporto dei nanotubi di carbonio, queste previsioni si sono rivelate difficili da convalidare, principalmente a causa delle difficoltà nella creazione di pori CNT di diametro inferiore a 1 nm.

Però, il team di Lawrence Livermore insieme ai colleghi del Lawrence Berkeley National Lab e dell'UC Berkeley è stato in grado di creare un sistema sperimentale semplice e versatile per studiare il trasporto nei pori CNT ultra stretti. Hanno usato porine di nanotubi di carbonio (CNTP), una tecnologia che hanno sviluppato in precedenza a LLNL, che utilizza nanotubi di carbonio incorporati nella membrana lipidica per imitare la funzionalità del canale ionico biologico. La svolta chiave è stata la creazione di porine di nanotubi con un diametro inferiore a 1 nm, che ha permesso ai ricercatori per la prima volta di ottenere un vero confinamento dell'acqua unidimensionale.