I ricercatori del National Graphene Institute dell'Università di Manchester nel Regno Unito sono riusciti per la prima volta a creare canali artificiali delle dimensioni di un solo atomo. I nuovi capillari, che sono molto simili ai canali proteici naturali come le acquaporine, sono abbastanza piccoli da bloccare il flusso degli ioni più piccoli come Na+ e Cl- ma consentono all'acqua di fluire liberamente. Oltre a migliorare la nostra comprensione fondamentale del trasporto molecolare su scala atomica, e soprattutto nei sistemi biologici, le strutture potrebbero essere ideali nelle tecnologie di desalinizzazione e filtrazione.

"Ovviamente, è impossibile creare capillari di dimensioni inferiori a un atomo, " spiega il team leader Sir Andre Geim. "La nostra impresa sembrava quasi impossibile, anche col senno di poi, ed era difficile immaginare capillari così piccoli solo un paio di anni fa."

Canali proteici naturali, come acquaporine, consentono all'acqua di permeare rapidamente attraverso di essi ma bloccano gli ioni idrati di dimensioni superiori a circa 7 A grazie a meccanismi come l'esclusione sterica (dimensione) e la repulsione elettrostatica. I ricercatori hanno cercato di creare capillari artificiali che funzionino proprio come le loro controparti naturali, ma nonostante molti progressi nella creazione di pori e nanotubi su scala nanometrica, tutte queste strutture fino ad oggi sono state ancora molto più grandi dei canali biologici.

Geim e colleghi hanno ora fabbricato canali di circa 3,4 A di altezza. Questo è circa la metà delle dimensioni degli ioni idrati più piccoli, come K+ e Cl-, che hanno un diametro di 6,6 A. Questi canali si comportano proprio come i canali proteici in quanto sono abbastanza piccoli da bloccare questi ioni ma sono sufficientemente grandi da consentire alle molecole d'acqua (con un diametro di circa 2,8 A) di fluire liberamente.

Le strutture potrebbero, importante, contribuire allo sviluppo di soluzioni convenienti, filtri ad alto flusso per la desalinizzazione dell'acqua e tecnologie correlate:un santo graal per i ricercatori del settore.

Lego in scala atomica

Pubblicando le loro scoperte su Science, i ricercatori hanno realizzato le loro strutture utilizzando una tecnica di assemblaggio di van der Waals, noto anche come "Lego in scala atomica", che è stato inventato grazie alla ricerca sul grafene. "Scopriamo nanocristalli atomicamente piatti di appena 50 e 200 nanometri di spessore dalla grafite sfusa e poi posizioniamo strisce di grafene monostrato sulla superficie di questi nanocristalli, " spiega la dottoressa Radha Boya, un coautore del documento di ricerca. "Queste strisce fungono da distanziatori tra i due cristalli quando un simile cristallo atomicamente piatto viene successivamente posizionato sopra. L'assemblaggio a tre strati risultante può essere visto come una coppia di dislocazioni dei bordi collegate con un vuoto piatto in mezzo. Questo spazio può ospitare solo uno strato atomico d'acqua".

Usare i monostrati di grafene come distanziatori è una novità e questo è ciò che rende i nuovi canali diversi da qualsiasi struttura precedente, lei dice.

Gli scienziati di Manchester hanno progettato i loro capillari 2-D in modo che siano larghi 130 nm e lunghi diversi micron. Li hanno assemblati su una membrana di nitruro di silicio che separava due contenitori isolati per garantire che i canali fossero l'unico percorso attraverso il quale acqua e ioni potessero fluire.

Fino ad ora, i ricercatori erano stati solo in grado di misurare l'acqua che scorre attraverso capillari che avevano distanziatori molto più spessi (circa 6,7 ​​A di altezza). E mentre alcune delle loro simulazioni di dinamica molecolare indicavano che cavità 2-D più piccole dovrebbero collassare a causa dell'attrazione di van der Waals tra le pareti opposte, altri calcoli hanno indicato il fatto che le molecole d'acqua all'interno delle fessure potrebbero effettivamente fungere da supporto e impedire che anche fessure alte un atomo (solo 3,4 A) cadano. Questo è davvero ciò che il team di Manchester ha ora trovato nei suoi esperimenti.

Misurazione del flusso di acqua e ioni

"Abbiamo misurato la permeazione dell'acqua attraverso i nostri canali utilizzando una tecnica nota come gravimetria, " dice Radha. "Ecco, permettiamo all'acqua in un piccolo contenitore sigillato di evaporare esclusivamente attraverso i capillari e quindi misuriamo accuratamente (con una precisione di microgrammi) quanto peso perde il contenitore in un periodo di diverse ore."

Per fare questo, i ricercatori affermano di aver costruito un gran numero di canali (oltre un centinaio) in parallelo per aumentare la sensibilità delle loro misurazioni. Hanno anche usato cristalli superiori più spessi per evitare cedimenti, e ritagliato l'apertura superiore dei capillari (usando l'incisione al plasma) per rimuovere eventuali potenziali blocchi dai bordi sottili presenti qui.

Per misurare il flusso ionico, hanno costretto gli ioni a muoversi attraverso i capillari applicando un campo elettrico e quindi misurato le correnti risultanti. "Se i nostri capillari fossero alti due atomi, abbiamo scoperto che i piccoli ioni possono muoversi liberamente attraverso di loro, proprio come accade nell'acqua sfusa, " dice Radha. "Al contrario, nessuno ione potrebbe passare attraverso i nostri canali in ultima analisi, piccoli, alti un atomo.

"L'eccezione erano i protoni, che sono noti per muoversi attraverso l'acqua come vere particelle subatomiche, piuttosto che ioni vestiti in gusci di idratazione relativamente grandi di diversi angstrom di diametro. I nostri canali bloccano quindi tutti gli ioni idratati ma consentono ai protoni di passare".

Poiché questi capillari si comportano allo stesso modo dei canali proteici, saranno importanti per comprendere meglio come si comportano l'acqua e gli ioni su scala molecolare, come nei filtri biologici su scala angstrom. "Il nostro lavoro (sia presente che precedente) mostra che l'acqua confinata atomicamente ha proprietà molto diverse da quelle dell'acqua sfusa, " spiega Geim. "Ad esempio, diventa fortemente stratificato, ha una struttura diversa, e mostra proprietà dielettriche radicalmente dissimili."