Монослои графена позволяют атомным капиллярам блокировать наименьшие ионы

Впервые ученые из Национального института графена Манчестерского университета в Великобритании успешно создали искусственные каналы, которые измеряют только один атом в размерах.

Изображение предоставлено: Манчестерский университет

Относительно аналогичные природным белковым каналам, таким как аквапорины, новые капилляры достаточно малы, чтобы препятствовать потоку мельчайших ионов, таких как Cl и Na + но позволяют воде легко протекать через них. , Структуры, в дополнение к улучшению фундаментального понимания молекулярного транспорта в атомном масштабе, и особенно в биологических системах, могут оказаться полезными в технологиях фильтрации и опреснения.

Очевидно, что невозможно сделать капилляры размером менее одного атома. Наш подвиг казался почти невозможным, даже в ретроспективе, и было трудно представить такие крошечные капилляры всего пару лет назад .

Сэр Андре Гейм, руководитель исследовательской группы и профессор Манчестерского университета

Аквапорины представляют собой встречающиеся в природе белковые каналы, которые позволяют воде быстро проникать через них, однако они имеют тенденцию блокировать гидратированные ионы размером более приблизительно 7 А из-за электростатического отталкивания и механизмов стерического (размера) исключения. Ученые пытаются создать искусственные капилляры, которые функционируют так же, как их естественные эквиваленты; однако, несмотря на значительные успехи в развитии нанотрубок и наноразмерных пор, все такие структуры продолжают быть относительно большими, чем биологические каналы.

Теперь, Гейм и его коллеги сделали каналы, которые имеют высоту всего 3,4 А, что примерно вдвое меньше, чем у крошечных гидратированных ионов, таких как Cl и K + диаметр которых составляет 6,6 А. Эти каналы действуют очень похоже на белковые каналы в том смысле, что они достаточно малы, чтобы блокировать эти гидратированные ионы, и в то же время достаточно велики, чтобы позволить молекулам воды диаметром около 2,8 А свободно течь.

Самое важное, что конструкции могли бы помочь в разработке недорогих высокопоточных фильтров для опреснения воды и связанных с ними технологий – представляющих собой святой Грааль для исследователей в этой области.

Лего атомного масштаба

Сообщая о своих результатах в Science ученые создали свои структуры с помощью метода сборки Ван-дер-Ваальса, также называемого «атомным масштабом Lego», который был разработан в результате исследований графена. .

Мы отщепляем атомно-плоские нанокристаллы толщиной всего 50 и 200 нанометров от объемного графита, а затем помещаем полоски монослойного графена на поверхность этих нанокристаллов. Эти полоски служат в качестве разделителей между двумя кристаллами, когда подобный атомно-плоский кристалл впоследствии помещается сверху. Получившийся трехслойный узел можно рассматривать как пару краевых дислокаций, связанных между собой плоской пустотой. Это пространство может вместить только один атомный слой воды .

Доктор Радха Бойя, соавтор исследования, Университет Манчестера

По словам Бойи, использование монослоев графена в качестве разделителей является первым в мире подходом, благодаря которому новые каналы выделяются среди других более ранних структур.

Манчестерские исследователи создали свои двухмерные капилляры длиной несколько микрон и шириной 130 нм. Они расположили эти капилляры поверх мембраны из нитрида кремния, разделяющей пару изолированных контейнеров, чтобы каналы были единственным путем, через который могли течь ионы и вода.

На сегодняшний день исследователи смогли определить поток воды только через капилляры, которые имели относительно более толстые прокладки (около 6,7 А в высоту). Некоторые из их моделирования молекулярной динамики показали, что более мелкие 2D полости должны разрушаться вследствие притяжения Ван-дер-Ваальса, существующего между противоположными стенками, но другие расчеты подчеркивали тот факт, что молекулы воды внутри щелей могут, на самом деле, функционировать как опора и препятствовать даже одной. -Атомно-высокие прорези (всего 3,4 А высотой) от обрушения вниз. Это, безусловно, то, что исследователи Манчестера в настоящее время обнаружили в своих экспериментах.

Измерение потока воды и ионов

« Мы измерили водопроницаемость через наши каналы, используя метод, известный как гравиметрия », – заявил Радха . « Здесь мы позволяем воде в небольшом запечатанном контейнере испаряться исключительно через капилляры, и затем мы точно измеряем (с точностью до микрограмма), какой вес контейнер теряет в течение нескольких часов ».

Чтобы достичь этого, следователи утверждали, что они разработали огромное количество каналов (более ста) параллельно, чтобы повысить чувствительность своих измерений. Они также использовали более толстые верхние кристаллы, чтобы предотвратить провисание, и обрезали верхнее отверстие капилляров, используя плазменное травление, чтобы устранить любые возможные закупорки тонкими краями, существующими здесь.

Чтобы определить поток ионов, исследователи применили электрическое поле, чтобы заставить ионы проходить через капилляры, а затем определили последующие токи.

Если бы наши капилляры были высотой в два атома, мы обнаружили, что маленькие ионы могут свободно перемещаться через них, так же, как это происходит в объемной воде. Напротив, никакие ионы не могли пройти через наши чрезвычайно маленькие одноатомные каналы . Исключением были протоны, которые, как известно, движутся в воде как настоящие субатомные частицы, а не ионы, одетые в относительно большие гидратные оболочки диаметром несколько ангстремов. Таким образом, наши каналы блокируют все гидратированные ионы, но пропускают протоны .

Доктор Радха Бойя, соавтор исследования, Университет Манчестера

Поскольку эти капилляры действуют так же, как белковые каналы, они будут полезны для лучшего понимания того, как ионы и вода действуют на молекулярном уровне – как в биологических фильтрах в ангстремовом масштабе.

Наша работа (как настоящая, так и предыдущая) показывает, что атомно-ограниченная вода имеет свойства, совершенно отличные от свойств объемной воды. Например, он становится сильно слоистым, имеет другую структуру и проявляет радикально отличающиеся диэлектрические свойства .

Сэр Андре Гейм, руководитель исследовательской группы и профессор Манчестерского университета

Видео предоставлено: Манчестерский университет

Source link