El cerebro humano es una vasta red de miles de millones de células biológicas llamadas neuronas que disparan señales eléctricas que procesan información, lo que da como resultado nuestros sentidos y pensamientos. Los canales iónicos de escala atómica en cada membrana celular neuronal desempeñan un papel clave en tales disparos queabre y cierra el flujo de iones en una celda individual mediante el voltaje eléctrico aplicado a través de la membrana celular, actuando como un "transistor biológico" similar a los transistores electrónicos en las computadoras. Durante décadas, los científicos han aprendido que los canales de iones biológicos son transistores de la vida capaces dePermeación extremadamente rápida y selectiva de iones a través de los filtros de selectividad de escala atómica para mantener las funciones vitales vitales. Sin embargo, sigue siendo un gran desafío hasta la fecha producir estructuras artificiales que imiten tales sistemas biológicos para la comprensión fundamental y aplicaciones prácticas.
Investigadores dirigidos por el profesor Xiang Zhang, presidente de la Universidad de Hong Kong HKU, han desarrollado un transistor de iones a escala atómica basado en canales de grafeno con compuerta eléctrica de alrededor de 3 angstrom de ancho que demostró un transporte de iones altamente selectivo. También encontraronque los iones se mueven cien veces más rápido en un canal tan pequeño que en el agua a granel.
Este avance, informado recientemente en ciencia , no solo proporciona una comprensión fundamental del tamizado rápido de iones a escala atómica, sino que también conduce a un transporte de iones ultrarrápido altamente conmutable que puede encontrar aplicaciones importantes en aplicaciones electroquímicas y biomédicas.
"Este innovador transistor de iones demuestra la conmutación eléctrica del transporte de iones ultrarrápido y simultáneamente selectivo a través de canales de escala atómica como los canales de iones biológicos que funcionan en nuestro cerebro", dijo el investigador principal, el profesor Xiang Zhang.limitará y tendrá un impacto significativo en aplicaciones importantes como la desalinización de agua de mar y la diálisis médica ".
El desarrollo de canales iónicos artificiales que utilizan estructuras de poros tradicionales se ha visto obstaculizado por el compromiso entre la permeabilidad y la selectividad para el transporte de iones. Los tamaños de los poros que superan los diámetros de los iones hidratados hacen que la selectividad de los iones desaparezca en gran medida. La selectividad elevada de los iones metálicos monovalentes puede desaparecer.logrado con una dimensión de canal controlada con precisión en la escala de angstrom. Sin embargo, estos canales de escala de angstrom impiden significativamente la difusión rápida debido a la resistencia estérica para que los iones hidratados entren en un espacio de canal más estrecho.
"Observamos un transporte de iones selectivo ultrarrápido a través del canal de grafeno a escala atómica con un coeficiente de difusión efectivo tan alto como Deff? 2.0´10-7 m2 / s", dijo el autor principal del estudio, Yahui Xue, ex investigador postdoctoral en el grupo del profesor Zhang"Hasta donde sabemos, esta es la difusión más rápida observada en la permeación de iones impulsada por concentración a través de membranas artificiales e incluso supera el coeficiente de difusión intrínseco observado en los canales biológicos".
Científicos de Hong Kong y UC Berkeley utilizaron por primera vez el voltaje de la puerta para controlar el potencial de superficie de los canales de grafeno y se dieron cuenta de una densidad ultra alta de empaquetamiento de carga dentro de estos canales. Las cargas vecinas exhiben una fuerte interacción electrostática entre sí. Esto da como resultado un equilibrio de carga dinámicoestado de modo que la inserción de una carga desde un extremo del canal conduciría a la expulsión de otra en el otro extremo. El movimiento de carga concertado resultante mejora en gran medida la velocidad y la eficiencia de transporte general.
"Nuestras mediciones ópticas in situ revelaron una densidad de carga tan alta como 1.8´1014 / cm2 en el voltaje de puerta aplicado más grande", dijo Yang Xia, un ex estudiante de doctorado en el grupo del profesor Zhang. "Es sorprendentemente alto, y nuestra mediaEl modelado teórico de campo sugiere que el transporte de iones ultrarrápido se atribuye a un empaquetamiento de iones altamente denso y su movimiento concertado dentro de los canales de grafeno ".
El transistor de iones de escala atómica también ha demostrado una capacidad de conmutación superior, similar a la de los canales biológicos, que se origina a partir de un comportamiento umbral inducido por la barrera de energía crítica para la inserción de iones hidratados. El tamaño del canal más pequeño que los diámetros de hidratación de los iones de metales alcalinoscrea una barrera de energía intrínseca que prohíbe la entrada de iones en la condición de circuito abierto. Al aplicar un potencial eléctrico de compuerta, la capa de hidratación podría distorsionarse o cortarse parcialmente para superar la barrera de energía de entrada de iones, lo que permite la intercalación de iones y, finalmente, el transporte de iones permeable más allá de unumbral de percolación.
El canal de grafeno a escala atómica estaba hecho de una sola escama de escamas de óxido de grafeno reducido. Esta configuración tiene la ventaja de estructuras de capas intactas para la investigación de propiedades fundamentales y también conserva una gran flexibilidad para la fabricación a escala en el futuro.
Se encontró que la secuencia de selección de iones de metales alcalinos a través del transistor de iones de escala atómica se asemeja a la de los canales biológicos de potasio. Esto también implica un mecanismo de control similar a los sistemas biológicos, que combina la deshidratación de iones y la interacción electrostática.
Este trabajo es un avance fundamental en el estudio del transporte de iones a través de poros sólidos a escala atómica. La integración de los transistores de iones a escala atómica en redes a gran escala puede incluso hacer posible producir excitantes sistemas neuronales artificiales e incluso cerebrales.ordenadores.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Hong Kong . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :