La superficie de una sola célula contiene cientos de poros diminutos, o canales iónicos, cada uno de los cuales es un portal para iones específicos. Los canales iónicos generalmente tienen aproximadamente 1 nanómetro de ancho; al mantener el equilibrio correcto de iones, mantienen las células sanas yestable.
Ahora los investigadores del MIT han creado pequeños poros en láminas individuales de grafeno que tienen una variedad de preferencias y características similares a las de los canales iónicos en las células vivas.
Cada poro de grafeno tiene menos de 2 nanómetros de ancho, lo que los convierte en uno de los poros más pequeños a través de los cuales los científicos han estudiado el flujo de iones. Cada uno también es excepcionalmente selectivo, prefiriendo transportar ciertos iones sobre otros a través de la capa de grafeno.
"Lo que vemos es que existe una gran diversidad en las propiedades de transporte de estos poros, lo que significa que hay mucho potencial para adaptar estos poros a diferentes aplicaciones o selectividades", dice Rohit Karnik, profesor asociado de mecánicaingeniería en el MIT.
Karnik dice que los nanoporos de grafeno podrían ser útiles como sensores, por ejemplo, para detectar iones de mercurio, potasio o fluoruro en solución. Estas membranas selectivas de iones también pueden ser útiles en la minería: en el futuro, es posible hacernanoporos de grafeno capaces de tamizar pequeñas cantidades de iones de oro de otros iones metálicos, como plata y aluminio.
Karnik y el ex estudiante de posgrado Tarun Jain, junto con Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier y Sean O'Hern del MIT y Juan-Carlos Idrobo del Laboratorio Nacional Oak Ridge, publican sus resultados en la revista Nanotecnología de la naturaleza .
Personalidad dinámica
En las células vivas, la diversidad de canales iónicos puede surgir del tamaño y la disposición atómica precisa de los canales, que son ligeramente más pequeños que los iones que fluyen a través de ellos.
"Cuando los nanoporos se hacen más pequeños que el tamaño hidratado del ion, entonces comienzas a ver emerger un comportamiento interesante", dice Jain.
En particular, los iones hidratados, o los iones en solución, están rodeados por una capa de moléculas de agua que se adhieren al ion, dependiendo de su carga eléctrica. Si un ion hidratado puede exprimir a través de un canal iónico determinado depende del tamaño de ese canal yconfiguración a escala atómica.
Karnik razonó que el grafeno sería un material adecuado para crear canales de iones artificiales: una lámina de grafeno es una red ultradelgada de átomos de carbono que tiene un átomo de espesor, por lo que los poros en el grafeno se definen a escala atómica.
Para crear poros en el grafeno, el grupo usó deposición química de vapor, un proceso que generalmente se usa para producir películas delgadas. En el grafeno, el proceso crea defectos pequeños de forma natural. Los investigadores utilizaron el proceso para generar poros del tamaño de nanómetros en varias láminas de grafeno, que se parecía al queso suizo ultrafino.
Los investigadores aislaron los poros individuales colocando cada lámina de grafeno sobre una capa de nitruro de silicio que había sido perforada por un haz de iones, cuyo diámetro es ligeramente más pequeño que el espacio entre los poros de grafeno. El grupo razonó que los iones que fluyen a través de ellosla configuración de dos capas probablemente habría pasado primero a través de un solo poro de grafeno, y luego a través del agujero más grande de nitruro de silicio.
El grupo midió los flujos de cinco iones de sal diferentes a través de varias configuraciones de láminas de grafeno aplicando un voltaje y midiendo la corriente que fluye a través de los poros. Las mediciones de voltaje de corriente variaron ampliamente de poro a poro y de ion a ion, con algunos porospermaneció estable, mientras que otros oscilaron en conductancia, una indicación de que los poros eran diversos en sus preferencias para permitir el paso de ciertos iones.
"La imagen que emerge es que cada poro es diferente y que los poros son dinámicos", dice Karnik. "Cada poro comienza a desarrollar su propia personalidad".
Nueva frontera
Karnik y Jain desarrollaron un modelo para interpretar las mediciones y lo utilizaron para traducir las mediciones del experimento en estimaciones del tamaño de poro. Según el modelo, descubrieron que el diámetro de muchos de los poros era inferior a 1 nanómetro, que -- dado el grosor de un solo átomo de grafeno - los convierte en uno de los poros más pequeños a través de los cuales los científicos han estudiado el flujo de iones.
Con el modelo, el grupo calculó el efecto de varios factores sobre el comportamiento de los poros, y descubrió que el comportamiento de los poros observado fue capturado por tres características principales: el tamaño de un poro, su carga eléctrica y la posición de esa carga a lo largo de la longitud de un poro.
Sabiendo esto, los investigadores algún día podrán adaptar los poros a nanoescala para crear membranas específicas de iones para aplicaciones como la detección ambiental y la extracción de metales traza.
"Es una especie de nueva frontera en tecnologías de membranas y en la comprensión del transporte a través de estos poros realmente pequeños en materiales ultrafinos", dice Karnik.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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