(Phys.org) - Forskare har övervunnit viktiga designhinder för att utöka den potentiella användningen av nanoporer och nanorör. Skapandet av smarta nanorör med selektiv masstransport öppnar upp ett bredare utbud av applikationer för vattenrening, kemisk separation och bekämpning av sjukdomar.

Nanopores och deras rullade version, nanorör, består av atomer bundna till varandra i ett hexagonalt mönster för att skapa en rad öppningar eller kanaler i nanometerskala. Denna struktur skapar ett filter som kan dimensioneras för att välja vilka molekyler och joner som passerar in i dricksvatten eller in i en cell. Samma filterteknik kan begränsa utsläppet av kemiska biprodukter från industriella processer.

Framgångar med att tillverka syntetiska nanorör av olika material har rapporterats tidigare, men deras användning har varit begränsad eftersom de bryts ned i vatten, porstorleken på vattenbeständiga kolnanorör är svår att kontrollera, och, mer kritiskt, oförmågan att sätta ihop dem till lämpliga filter.

Ett internationellt team av forskare, med hjälp av Advanced Photon Source vid Argonne National Laboratory, har lyckats övervinna dessa hinder genom att bygga självmonterande, storleksspecifika nanoporer. Denna nya förmåga gör det möjligt för dem att konstruera nanorör för specifika funktioner och använda porstorlek för att selektivt blockera specifika molekyler och joner.

Forskare använde grupperingar av atomer som kallas ryggade makrocykler som delar en plan hexahenylene-etynylenkärna som bär sex amidsidokedjor. Genom en cellulär självmonteringsprocess, makrocyklarna staplar cofacially, eller atom ovanpå atom. Varje lager i makrocykeln hålls samman genom bindning mellan väteatomer i amidsidokedjorna. Denna inriktning skapar en enhetlig porstorlek oavsett längden på nanoröret. En liten feljustering av några makrocykler kan ändra porstorleken och äventyra nanorörets funktionalitet kraftigt.

"Det är det första syntetiska nanoröret som har en mycket enhetlig diameter, Sa Xiao Cheng Zeng, en av studiens seniorförfattare och en emeritusprofessor vid University of Nebraska-Lincoln.

Porstorlekarna kan justeras för att filtrera molekyler och joner enligt deras storlek genom att ändra makrocykelstorleken, liknar hur ett utrymme kan sättas in i en vigselring för att få den att sitta tätare. Kanalerna är genomsläppliga för vatten, vilket hjälper till att snabbt överföra intercellulär information. De syntetiska nanoporerna efterliknar aktiviteten hos cellulära jonkanaler som används i människokroppen. Forskningen lägger grunden för en rad spännande ny teknik, till exempel nya sätt att tillföra proteiner direkt till celler eller mediciner för att bekämpa sjukdomar.

”Idén till denna forskning härstammar från den biologiska världen, från vårt hopp att efterlikna biologiska strukturer, och vi var glada över resultatet, sa Bing Gong, professor vid universitetet i Buffalo i New York, som ledde studien. "Vi har skapat den första kvantitativt bekräftade syntetiska vattenkanalen."

"Självmonterande subnanometerporer med ovanliga masstransportegenskaper" visas 17 juli i tidskriften Naturkommunikation .

"Detta är den första demonstrationen av molekylär ingenjörskonst för att skapa en rad nanorör med enhetlig porstorlek som tillåter jonselektiv transport för en specifik funktion, sade Zhonghou Cai, en vetenskapsman med Advanced Photon Source. En högenergiröntgenstråle från en ljuskälla, som APS, var det enda sättet att bekräfta datorsimuleringar och testa det syntetiserade nanorörets enhetlighet lager för lager. "Det är inte ofta man får jobba med något så här spännande."