Diagramma schematico che mostra il processo di dissipazione del calore ionico in un nanoporo (a sinistra). Un termometro su scala nanometrica incorporato su un lato del nanoporo per rilevare le variazioni di temperatura locali causate dal trasporto ionico guidato dalla tensione (a destra). Credito:© 2022 M. Tsutsui et al., Dissipazione del calore ionico nei pori dello stato solido. Progressi scientifici
Gli scienziati del SANKEN (l'Istituto di ricerca scientifica e industriale) dell'Università di Osaka hanno misurato gli effetti termici del flusso ionico attraverso un nanoporo utilizzando una termocoppia. Hanno scoperto che nella maggior parte delle condizioni, sia la corrente che la potenza di riscaldamento variavano con la tensione applicata, come previsto dalla legge di Ohm. Questo lavoro potrebbe portare a sensori su nanoscala più avanzati.
I nanopori, che sono minuscole aperture in una membrana così piccola che può passare solo un singolo filamento di DNA o una particella virale, sono una nuova entusiasmante piattaforma per la costruzione di sensori. Spesso viene applicata una tensione elettrica tra i due lati della membrana per aspirare la sostanza da analizzare attraverso il nanoporo. Allo stesso tempo, gli ioni carichi nella soluzione possono essere trasportati, ma il loro effetto sulla temperatura non è stato studiato a fondo. Una misurazione diretta degli effetti termici causati da questi ioni può aiutare a rendere i nanopori più pratici come sensori.
Ora, un team di ricercatori dell'Università di Osaka ha creato una termocoppia fatta di nanofili di oro e platino con un punto di contatto di appena 100 nm che fungeva da termometro. È stato utilizzato per misurare la temperatura direttamente accanto a un nanoporo tagliato in una pellicola spessa 40 nm sospesa su un wafer di silicio.
Il riscaldamento Joule si verifica quando l'energia elettrica viene convertita in calore dalla resistenza in un filo. Questo effetto si verifica nei tostapane e nei fornelli elettrici e può essere considerato come una dispersione anelastica degli elettroni quando entrano in collisione con i nuclei del filo. Nel caso di un nanoporo, gli scienziati hanno scoperto che l'energia termica è stata dissipata in proporzione alla quantità di moto del flusso ionico, che è in linea con le previsioni della legge di Ohm. Durante lo studio di un nanoporo di 300 nm, i ricercatori hanno registrato la corrente ionica di una soluzione salina tamponata con fosfato in funzione della tensione applicata. "Abbiamo dimostrato un comportamento quasi ohmico in un'ampia gamma di condizioni sperimentali", afferma il primo autore Makusu Tsutsui.
Con nanopori più piccoli, l'effetto di riscaldamento è diventato più pronunciato, perché meno fluido dal lato più freddo potrebbe passare per equalizzare la temperatura. Di conseguenza, il riscaldamento potrebbe causare un effetto non trascurabile, con i nanopori che subiscono un aumento della temperatura di alcuni gradi in condizioni operative standard. "Ci aspettiamo lo sviluppo di nuovi sensori di nanopori in grado non solo di identificare i virus, ma anche di disattivarli allo stesso tempo", afferma l'autore senior Tomoji Kawai. I ricercatori hanno proposto altre situazioni in cui il riscaldamento può essere utile, ad esempio per evitare che il nanoporo venga ostruito da un polimero o per separare i filamenti di DNA che vengono sequenziati.
L'articolo, "Dissipazione del calore ionico nei pori allo stato solido", è pubblicato su Science Advances . + Esplora ulteriormente
