(PhysOrg.com) -- För första gången, ett team av MIT-kemiingenjörer har observerat enstaka joner som marscherar genom en liten kol-nanorörkanal. Sådana kanaler skulle kunna användas som extremt känsliga detektorer eller som en del av ett nytt vattenavsaltningssystem. De skulle också kunna tillåta forskare att studera kemiska reaktioner på singelmolekylnivå.

Kolnanorör – små, ihåliga cylindrar vars väggar är galler av kolatomer - är cirka 10, 000 gånger tunnare än ett människohår. Sedan deras upptäckt för nästan 20 år sedan, forskare har experimenterat med dem som batterier, transistorer, sensorer och solceller, bland andra applikationer.

I numret 10 september av Vetenskap , MIT-forskare rapporterar att laddade molekyler, såsom natrium- och kloridjoner som bildas när salt löses i vatten, kan inte bara flöda snabbt genom kolnanorör, men kan också under vissa förhållanden, gör det en i taget, som att människor turas om att korsa en bro. Forskningen leddes av docent Michael Strano.

Det nya systemet tillåter passage av mycket mindre molekyler, över större avstånd (upp till en halv millimeter), än någon befintlig nanokanal. För närvarande, den mest studerade nanokanalen är en nanopor av kisel, gjord genom att borra ett hål genom ett kiselmembran. Dock, dessa kanaler är mycket kortare än de nya nanorörskanalerna (nanorören är cirka 20, 000 gånger längre), så de tillåter bara passage av stora molekyler som DNA eller polymerer - allt mindre skulle röra sig för snabbt för att upptäckas.

Strano och hans medförfattare - nyligen doktorand Chang Young Lee, Doktorand Wonjoon Choi och postdoktor Jae-Hee Han – byggde sin nya nanokanal genom att odla ett nanorör över en platta på en centimeter för en centimeter, ansluter två vattenreservoarer. Varje reservoar innehåller en elektrod, en positiv och en negativ. Eftersom elektricitet bara kan flöda om protoner - positivt laddade vätejoner, som utgör den elektriska strömmen - kan gå från en elektrod till den andra, forskarna kan enkelt avgöra om joner färdas genom nanoröret.

De fann att protoner flödar stadigt över nanoröret, bär en elektrisk ström. Protoner flyter lätt genom nanokanalen eftersom de är så små, men forskarna observerade att andra positivt laddade joner, såsom natrium, kan också komma igenom men bara om tillräckligt med elektriskt fält appliceras. Natriumjoner är mycket större än protoner, så de tar längre tid att passera när de väl kommer in. Medan de reser över kanalen, de blockerar protoner från att flöda, leder till ett kortvarigt avbrott i strömmen som kallas Coulter-effekten.

Strano tror att kanalerna endast tillåter positivt laddade joner att flöda genom dem eftersom rörens ändar innehåller negativa laddningar, som attraherar positiva joner. Dock, han planerar att bygga kanaler som attraherar negativa joner genom att lägga till positiva laddningar till röret.

När forskarna väl har dessa två typer av kanaler, de hoppas kunna bädda in dem i ett membran som även skulle kunna användas för avsaltning av vatten. Mer än 97 procent av jordens vatten finns i haven, men den stora reservoaren är odrickbar om inte saltet tas bort. De nuvarande avsaltningsmetoderna, destillation och omvänd osmos, är dyra och kräver mycket energi. Så ett nanorörsmembran som låter både natrium- och kloridjoner (som är negativt laddade) strömma ut ur havsvattnet kan bli ett billigare sätt att avsalta vatten.

Denna studie är första gången som enskilda joner lösta i vatten har observerats vid rumstemperatur. Detta betyder att nanokanalerna också kan upptäcka föroreningar, som arsenik eller kvicksilver, i dricksvatten. (Joner kan identifieras genom hur lång tid det tar för dem att korsa kanalen, vilket beror på deras storlek). "Om en enda arsenikjon flyter i lösning, du kan upptäcka det, säger Strano.