De säger att det är de små sakerna som räknas, och det gäller verkligen för kanalerna i transmembranproteiner, som är tillräckligt små för att låta joner eller molekyler av en viss storlek passera, samtidigt som du håller borta större föremål. Konstgjorda fluidiska nanokanaler som efterliknar förmågan hos transmembranproteiner är mycket uppskattade för ett antal avancerade teknologier. Dock, det har varit svårt att göra enskilda konstgjorda kanaler av denna storlek – fram till nu.

Forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har kunnat tillverka nanokanaler som bara är två nanometer (2-nm) stora, med hjälp av standardprocesser för tillverkning av halvledare. De har redan använt dessa nanokanaler för att upptäcka att vätskemekaniken för så här små passager skiljer sig väsentligt inte bara från kanaler i bulkstorlek, men även från kanaler som bara är 10 nanometer stora.

"Vi kunde studera jontransport i våra 2-nm nanokanaler genom att mäta tids- och koncentrationsberoendet av jonkonduktansen, säger Arun Majumdar, Direktör för DOE:s Advanced Research Projects Agency – Energy (ARPA-E), som ledde denna forskning medan han fortfarande var forskare vid Berkeley Lab. "Vi observerade en mycket högre hastighet av proton- och jonrörlighet i våra begränsade hydratiserade kanaler - upp till en fyrfaldig ökning jämfört med större nanokanaler (10 till 100 nm). Denna förbättrade protontransport kan förklara den höga genomströmningen av protoner i transmembranet kanaler."

Majumdar är medförfattare med Chuanhua Duan, medlem av Majumdars forskargrupp vid University of California (UC) Berkeley, av ett papper om detta arbete, som publicerades i tidskriften Naturens nanoteknik . Uppsatsen har titeln "Anomal jontransport i 2-nm hydrofila nanokanaler."

I deras tidning, Majumdar och Duan beskriver en teknik där jonetsning med hög precision kombineras med anodbindning för att tillverka kanaler av en specifik storlek och geometri på en kisel-på-glasform. För att förhindra att kanalen kollapsar under de starka elektrostatiska krafterna från den anodiska bindningsprocessen, ett tjockt (500 nm) oxidskikt avsattes på glassubstratet.

"Detta avsättningssteg och följande bindningssteg garanterade framgångsrik kanalförslutning utan att kollapsa, " säger Duan. "Vi var också tvungna att välja rätt temperatur, spänning och tidsperiod för att säkerställa perfekt bindning. Jag jämför processen med att laga en biff, du måste välja rätt krydda samt rätt tid och temperatur. Avsättningen av oxidskiktet var rätt krydda för oss."

De nanometerstora kanalerna i transmembranproteiner är avgörande för att kontrollera flödet av joner och molekyler över de yttre och inre väggarna i en biologisk cell, som, i tur och ordning, är avgörande för många av de biologiska processer som upprätthåller cellen. Liksom deras biologiska motsvarigheter, fluidiska nanokanaler kan spela avgörande roller i framtiden för bränsleceller och batterier.

"Förbättrad jontransport förbättrar effekttätheten och den praktiska energitätheten för bränsleceller och batterier, ", säger Duan. "Även om den teoretiska energitätheten i bränsleceller och batterier bestäms av de aktiva elektrokemiska materialen, den praktiska energitätheten är alltid mycket lägre på grund av intern energiförlust och användningen av inaktiva komponenter. Förbättrad jontransport kan minska det interna motståndet i bränsleceller och batterier, vilket skulle minska den interna energiförlusten och öka den praktiska energitätheten."

Fynden av Duan och Majumdar indikerar att jontransport kan förbättras avsevärt i 2-nm hydrofila nanostrukturer på grund av deras geometriska begränsningar och höga ytladdningstätheter. Som ett exempel, Duan citerar separatorn, komponenten placerad mellan katoden och anoden i batterier och bränsleceller för att förhindra fysisk kontakt av elektroderna samtidigt som den möjliggör fri jontransport.

"Nuvarande separatorer är mestadels mikroporösa lager som består av antingen ett polymermembran eller fiberduksmatta, " Duan säger. "Ett oorganiskt membran inbäddat med en uppsättning 2-nm hydrofila nanokanaler kan användas för att ersätta strömseparatorer och förbättra praktisk effekt och energitäthet."

2-nm nanokanalerna lovar också för biologiska tillämpningar eftersom de har potential att användas för att direkt styra och manipulera fysiologiska lösningar. Nuvarande nanofluidiska enheter använder kanaler som är 10 till 100 nm stora för att separera och manipulera biomolekyler. På grund av problem med elektrostatiska interaktioner, dessa större kanaler kan fungera med artificiella lösningar men inte med naturliga fysiologiska lösningar.

"För fysiologiska lösningar med typiska jonkoncentrationer på cirka 100 millimolarer, Debye-screeningslängden är 1 nm, " säger Duan. "Eftersom elektriska dubbla lager från tvåkanalsytor överlappar varandra i våra 2-nm nanokanaler, alla nuvarande biologiska tillämpningar som finns i större nanokanaler kan överföras till 2-nm nanokanaler för riktiga fysiologiska medier."

Nästa steg för forskarna blir att studera transporten av joner och molekyler i hydrofila nanorör som är ännu mindre än 2-nm. Jontransport förväntas förstärkas ytterligare av den mindre geometrin och starkare hydratiseringskraften.

"Jag utvecklar ett oorganiskt membran med inbäddad sub-2 nm hydrofil nanorörsuppsättning som kommer att användas för att studera jontransport i både vattenhaltiga och organiska elektrolyter, säger Duan. "Den kommer också att utvecklas som en ny typ av separator för litiumjonbatterier."