Un porin di nanotubo di carbonio incorporato in un doppio strato lipidico con un anione (verde) all'ingresso del porin di nanotubo di carbonio. L'anione è completamente idratato, cioè circondato da molecole d'acqua legate, che deve eliminare prima di entrare nel nanotubo. Una finestra nel nanotubo (sotto) mostra un altro anione che ha rilasciato alcune di quelle molecole d'acqua ed è entrato all'interno del tubo. Credito:Zhongwu Li, Fikret Aydin, Tuan Anh Pham e Alex Noy/LLNL
Cercando di determinare come gli ioni caricati negativamente passano attraverso un nanotubo di carbonio 20, 000 volte più piccolo di un capello umano non è un'impresa facile.
Non solo gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) lo hanno fatto, ma hanno scoperto che quegli ioni sono inaspettatamente schizzinosi a seconda dell'anione (uno ione caricato negativamente). La ricerca appare in ACS Nano .
I pori interni dei nanotubi di carbonio combinano un trasporto dell'acqua estremamente veloce e una selettività ionica che potrebbero essere utili per applicazioni di desalinizzazione e separazione dell'acqua ad alte prestazioni. Determinare quali anioni sono permeabili al poro del nanotubo può essere fondamentale per molti processi di separazione, compresa la desalinizzazione, che trasforma l'acqua di mare in acqua dolce rimuovendo gli ioni di sale.
"Vedere selettività differenziale per diversi anioni è importante a causa della necessità di progettare membrane molto selettive che possano separare questi ioni, " ha detto lo scienziato LLNL Alex Noy, autore principale dell'articolo. "Un buon esempio potrebbero essere le separazioni chimiche in cui è sempre necessario rimuovere determinate specie in modo selettivo".
Gli anioni a valenza singola (monovalenti) sono notoriamente difficili da separare, in quanto sono di dimensioni simili e non sono chimicamente reattive.
"L'osservazione di questa forte selettività differenziale si basa su un meccanismo che è unico per i pori su scala nanometrica e quindi potrebbe aprire la possibilità di progettare membrane con selettività per gli altri tipi di specie chimiche, " disse Zhongwu Li, il primo autore del saggio. "Ciò potrebbe in definitiva aprire la strada a una nuova generazione di membrane per separazioni chimiche precise".
Il team ha utilizzato saggi di fluorescenza e spettrometria a flusso interrotto per determinare la permeabilità di quattro anioni monovalenti (cloruro, bromuro, ioduro e tiocianato) attraverso strette porine di nanotubi di carbonio (CNTP) con diametro di 0,8 nanometri. Le misurazioni hanno rivelato una selettività ionica differenziale inaspettatamente forte con permeabilità di ioni diversi che variano fino a 2 ordini di grandezza.
Il team ha quindi applicato i primi principi di simulazione della dinamica molecolare che hanno rivelato che l'origine di questa forte selettività ionica differenziale è la parziale disidratazione degli anioni all'ingresso negli stretti canali CNTP.
"Generalmente, uno ione con un'energia di idratazione inferiore permea più facilmente rispetto a uno ione con una maggiore idratazione, " disse Tuan Anh Pham, uno scienziato LLNL e coautore dello studio, che ha diretto la parte modellistica di questa ricerca. "Questi risultati forniscono ulteriori informazioni sul meccanismo della selettività ionica in questi pori e indicano anche i fattori che i ricercatori devono tenere in considerazione durante la progettazione di canali e membrane artificiali selettivi per lo ione".
Il lavoro futuro studierà le barriere energetiche di attivazione per altri tipi di ioni che entrano nei CNTP.
