Große Verhaltensvielfalt für winzige Graphenporen: Wie biologische Kanäle sind auch Graphenporen für bestimmte Arten von Ionen selektiv | 2020

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Anonim

Jetzt haben Forscher am MIT winzige Poren in einzelnen Graphenschichten geschaffen, die eine Reihe von Vorlieben und Eigenschaften aufweisen, die denen von Ionenkanälen in lebenden Zellen ähneln.

Jede Graphen-Pore ist weniger als 2 Nanometer breit, was sie zu den kleinsten Poren macht, durch die Wissenschaftler jemals den Ionenfluss untersucht haben. Jedes ist auch einzigartig selektiv und zieht es vor, bestimmte Ionen über andere durch die Graphenschicht zu transportieren.

"Wir sehen, dass die Transporteigenschaften dieser Poren sehr unterschiedlich sind, was bedeutet, dass es ein großes Potenzial gibt, diese Poren auf verschiedene Anwendungen oder Selektivitäten abzustimmen", sagt Rohit Karnik, Associate Professor für Maschinenbau bei MIT.

Laut Karnik könnten Graphen-Nanoporen als Sensoren nützlich sein - zum Beispiel zum Nachweis von Quecksilber-, Kalium- oder Fluoridionen in Lösung. Solche ionenselektiven Membranen könnten auch im Bergbau nützlich sein: In Zukunft könnten Graphen-Nanoporen hergestellt werden, mit denen Spuren von Goldionen aus anderen Metallionen wie Silber und Aluminium herausgesiebt werden können.

Karnik und der ehemalige Doktorand Tarun Jain sowie Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier und Sean O'Hern vom MIT und Juan-Carlos Idrobo vom Oak Ridge National Laboratory veröffentlichen ihre Ergebnisse im Journal Natur Nanotechnologie .

Dynamische Persönlichkeit

In lebenden Zellen kann sich die Vielfalt der Ionenkanäle aus der Größe und der genauen atomaren Anordnung der Kanäle ergeben, die geringfügig kleiner sind als die Ionen, die durch sie fließen.

"Wenn Nanoporen kleiner werden als die hydratisierte Größe des Ions, entsteht ein interessantes Verhalten", sagt Jain.

Insbesondere sind hydratisierte Ionen oder Ionen in Lösung von einer Hülle aus Wassermolekülen umgeben, die in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Ladung an dem Ion haften bleiben. Ob sich ein hydratisiertes Ion durch einen bestimmten Ionenkanal quetschen kann, hängt von der Größe und Konfiguration dieses Kanals auf atomarer Ebene ab.

Karnik vermutete, dass Graphen ein geeignetes Material für die Erzeugung künstlicher Ionenkanäle ist: Eine Graphenschicht ist ein ultradünnes Gitter aus Kohlenstoffatomen mit einer Dicke von einem Atom, sodass Poren in Graphen auf atomarer Ebene definiert werden.

Um Poren in Graphen zu erzeugen, verwendete die Gruppe die chemische Gasphasenabscheidung, ein Verfahren, das typischerweise zur Herstellung dünner Filme verwendet wird. Bei Graphen entstehen auf natürliche Weise winzige Defekte. Die Forscher verwendeten das Verfahren, um nanometergroße Poren in verschiedenen Graphenschichten zu erzeugen, die eine Ähnlichkeit mit ultradünnem Schweizer Käse aufwiesen.

Die Forscher isolierten dann einzelne Poren, indem sie jede Graphenschicht über einer Schicht aus Siliziumnitrid platzierten, die von einem Ionenstrahl durchstoßen worden war, dessen Durchmesser geringfügig kleiner als der Abstand zwischen den Graphenporen ist. Die Gruppe vermutete, dass Ionen, die durch den zweischichtigen Aufbau fließen, wahrscheinlich zuerst durch eine einzelne Graphenpore und dann durch das größere Siliziumnitridloch gelaufen wären.

Die Gruppe maß Flüsse von fünf verschiedenen Salzionen durch mehrere Graphenlagen, indem sie eine Spannung anlegte und den durch die Poren fließenden Strom maß. Die Strom-Spannungs-Messungen variierten stark von Pore zu Pore und von Ion zu Ion, wobei einige Poren stabil blieben, während andere im Leitwert hin und her pendelten - ein Hinweis darauf, dass die Poren in ihren Vorlieben, bestimmte Ionen durchzulassen, unterschiedlich waren.

"Es zeigt sich, dass jede Pore anders ist und dass die Poren dynamisch sind", sagt Karnik. "Jede Pore entwickelt ihre eigene Persönlichkeit."

Neue Grenze

Karnik und Jain entwickelten dann ein Modell zur Interpretation der Messungen und verwendeten es, um die Messungen des Experiments in Schätzungen der Porengröße zu übersetzen. Auf der Grundlage des Modells stellten sie fest, dass der Durchmesser vieler Poren unter 1 Nanometer lag, was sie angesichts der Einzelatomdicke von Graphen zu den kleinsten Poren macht, durch die Wissenschaftler den Ionenfluss untersucht haben.

Mit dem Modell berechnete die Gruppe die Auswirkung verschiedener Faktoren auf das Porenverhalten und stellte fest, dass das beobachtete Porenverhalten durch drei Hauptmerkmale erfasst wurde: die Größe einer Pore, ihre elektrische Ladung und die Position dieser Ladung entlang der Länge einer Pore.

In diesem Wissen könnten Forscher eines Tages in der Lage sein, Poren im Nanomaßstab maßzuschneidern, um ionenspezifische Membranen für Anwendungen wie Umweltsensorik und Spurenmetallabbau herzustellen.

"Es ist eine Art neue Grenze in der Membrantechnologie und beim Verständnis des Transports durch diese wirklich kleinen Poren in ultradünnen Materialien", sagt Karnik.