I nanocanali sono pori o canali su scala nanometrica che possono essere utilizzati per controllare il movimento di ioni e molecole. Hanno suscitato un notevole interesse in campi come la nanotecnologia, la chimica e la biologia grazie alle loro proprietà uniche e alle potenziali applicazioni. Tuttavia, comprendere i meccanismi alla base del trasporto selettivo di ioni specifici attraverso i nanocanali rimane un compito impegnativo.
In questo studio, i ricercatori dell’Università di Tokyo e del Centro RIKEN per la scienza delle risorse sostenibili hanno studiato la selettività ionica dei nanocanali formati da peptidi ciclici autoassemblati. Utilizzando simulazioni di dinamica molecolare e calcoli di energia libera, hanno esaminato le interazioni tra gli ioni di potassio e le pareti dei nanocanali e le hanno confrontate con altri ioni di metalli alcalini (litio, sodio, rubidio e cesio).
Le simulazioni hanno rivelato che il nanocanale mostra una forte preferenza per gli ioni di potassio rispetto ad altri ioni di metalli alcalini. Questa selettività è principalmente attribuita alle interazioni specifiche tra gli ioni di potassio e gli atomi di ossigeno sulla superficie interna del nanocanale. Queste interazioni sono più forti per gli ioni potassio rispetto ad altri ioni di metalli alcalini a causa della corrispondenza appropriata di dimensioni e densità di carica tra gli ioni potassio e il nanocanale.
Inoltre, lo studio ha scoperto che il nanocanale può discriminare efficacemente tra ioni di potassio e altri ioni di metalli alcalini anche in presenza di elevate concentrazioni di altri ioni. Questa notevole selettività è attribuita all’effetto cooperativo di più atomi di ossigeno all’interno del nanocanale, che contribuiscono collettivamente al legame e al trasporto degli ioni di potassio.
I ricercatori hanno inoltre studiato gli effetti delle dimensioni dei nanocanali e della tensione applicata sulla selettività ionica. Hanno scoperto che la selettività ionica diventa più pronunciata al diminuire delle dimensioni del nanocanale e può essere ulteriormente migliorata applicando una polarizzazione di tensione adeguata attraverso il nanocanale.
I risultati di questo studio forniscono preziose informazioni sui meccanismi di trasporto degli ioni dei nanocanali e ne evidenziano il potenziale per il trasporto e la separazione selettivi degli ioni. La comprensione fondamentale acquisita da questa ricerca può guidare la progettazione razionale e l'ottimizzazione dei nanocanali per varie applicazioni, come membrane di separazione ionica, biosensori e sistemi di desalinizzazione ad alta efficienza energetica.
Manipolando le interazioni tra gli ioni e le pareti dei nanocanali, è possibile ottenere un trasporto altamente selettivo di ioni specifici, che possono essere sfruttati in un'ampia gamma di progressi tecnologici e contribuire ad affrontare le sfide globali legate alla scarsità d'acqua, al consumo energetico e all'impatto ambientale. sostenibilità.
