Schema del transistor ionico su scala atomica costituito da canali di grafene di dimensioni 3 angstrom. Il potenziale elettrico viene applicato per imitare la carica elettrica sulle pareti dei canali biologici e consente l'intercalazione ionica e il trasporto ionico permeabile oltre una soglia di percolazione. Credito:Yahui Xue
Il cervello umano è una vasta rete di miliardi di cellule biologiche chiamate neuroni che emettono segnali elettrici che elaborano informazioni, con conseguente nostri sensi e pensieri. I canali ionici di scala atomica in ciascuna membrana cellulare neuronale svolgono un ruolo chiave in tali esplosioni che aprono e chiudono il flusso ionico in una singola cellula dalla tensione elettrica applicata attraverso la membrana cellulare, agendo come un "transistor biologico" simile ai transistor elettronici nei computer. Per decenni, gli scienziati hanno appreso che i canali ionici biologici sono i transistor della vita in grado di gestire una permeazione selettiva estremamente rapida e precisa degli ioni attraverso i filtri di selettività su scala atomica per mantenere le funzioni vitali vitali. Però, rimane una grande sfida fino ad oggi produrre strutture artificiali per imitare tali sistemi biologici per la comprensione fondamentale e applicazioni pratiche.
I ricercatori guidati dal professor Xiang Zhang, il Presidente dell'Università di Hong Kong (HKU), hanno sviluppato un transistor ionico su scala atomica basato su canali di grafene con controllo elettrico di circa 3 angstrom di larghezza che ha dimostrato un trasporto ionico altamente selettivo. Hanno anche scoperto che gli ioni si muovono cento volte più velocemente in un canale così piccolo di quanto non facciano nell'acqua sfusa.
Questa svolta, segnalato di recente in Scienza , non solo fornisce una comprensione fondamentale del setaccio ionico veloce su scala atomica, ma porta anche a un trasporto ionico ultraveloce altamente commutabile che può trovare importanti applicazioni nelle applicazioni elettrochimiche e biomediche.
"Questo innovativo transistor a ioni dimostra la commutazione elettrica del trasporto ionico ultraveloce e simultaneamente selettivo attraverso canali su scala atomica come i canali ionici biologici che funzionano nel nostro cervello, " Ha affermato il principale ricercatore, il professor Xiang Zhang. "Approfondisce la nostra comprensione fondamentale del trasporto ionico al limite ultrapiccolo e avrà un impatto significativo su applicazioni importanti come la desalinizzazione dell'acqua di mare e la dialisi medica".
Lo sviluppo di canali ionici artificiali che utilizzano strutture tradizionali dei pori è stato ostacolato dal compromesso tra permeabilità e selettività per il trasporto ionico. Le dimensioni dei pori che superano i diametri degli ioni idrati rendono la selettività ionica in gran parte svanita. È possibile ottenere un'elevata selettività degli ioni metallici monovalenti con una dimensione del canale controllata con precisione su scala angstrom. Però, questi canali su scala angstrom precludono significativamente la rapida diffusione a causa della resistenza sterica per gli ioni idrati di entrare in uno spazio del canale più stretto.
"Abbiamo osservato il trasporto ionico selettivo ultraveloce attraverso il canale del grafene su scala atomica con un coefficiente di diffusione efficace fino a Deff ≈ 2,0 x 10 -7 m 2 /s." ha detto l'autore principale dello studio Yahui Xue, un ex ricercatore post-dottorato nel gruppo del professor Zhang. "Al meglio delle nostre conoscenze, questa è la diffusione più rapida osservata nella permeazione ionica guidata dalla concentrazione attraverso membrane artificiali e supera persino il coefficiente di diffusione intrinseco osservato nei canali biologici".
Scienziati di Hong Kong e dell'Università di Berkeley hanno utilizzato per la prima volta la tensione di gate per controllare il potenziale superficiale dei canali del grafene e hanno realizzato una densità ultraelevata di impacchettamento di carica all'interno di questi canali. Le cariche vicine mostrano una forte interazione elettrostatica tra loro. Ciò si traduce in uno stato di equilibrio di carica dinamico in modo che l'inserimento di una carica da un'estremità del canale porterebbe all'espulsione di un'altra all'altra estremità. Il risultante movimento di carica concertato migliora notevolmente la velocità e l'efficienza complessive del trasporto.
"Le nostre misurazioni ottiche in situ hanno rivelato una densità di carica fino a 1,8 x 10 14 /cm 2 alla massima tensione di gate applicata." ha detto Yang Xia, un ex dottorato di ricerca studente nel gruppo del professor Zhang. "È sorprendentemente alto, e la nostra modellizzazione teorica del campo medio suggerisce che il trasporto ionico ultraveloce è attribuito all'impaccamento altamente denso di ioni e al loro movimento concertato all'interno dei canali del grafene".
Il transistor ionico su scala atomica ha anche dimostrato una capacità di commutazione superiore, simile a quello nei canali biologici, originato da un comportamento di soglia indotto dalla barriera energetica critica per l'inserimento di ioni idrati. La dimensione del canale più piccola rispetto ai diametri di idratazione degli ioni di metalli alcalini crea una barriera energetica intrinseca che impedisce l'ingresso di ioni nella condizione di circuito aperto. Applicando il potenziale elettrico di gate, il guscio di idratazione potrebbe essere distorto o parzialmente rimosso per superare la barriera energetica di ingresso ionico, consentendo l'intercalazione ionica ed eventualmente il trasporto ionico permeabile oltre una soglia di percolazione.
Il canale del grafene su scala atomica era costituito da un singolo fiocco di ossido di grafene ridotto. Questa configurazione ha il vantaggio di strutture a strati intatte per l'indagine delle proprietà fondamentali e preserva anche una grande flessibilità per la fabbricazione in scala in futuro.
La sequenza di selezione degli ioni di metalli alcalini attraverso il transistor ionico su scala atomica è risultata simile a quella dei canali biologici del potassio. Ciò implica anche un meccanismo di controllo simile ai sistemi biologici, che combina disidratazione ionica e interazione elettrostatica.
Questo lavoro è una svolta fondamentale nello studio del trasporto ionico attraverso i pori solidi su scala atomica. L'integrazione dei transistor ionici su scala atomica in reti su larga scala può persino rendere possibile la produzione di entusiasmanti sistemi neurali artificiali e persino computer simili al cervello.
