Ett diagram över en av gruppens experimentella uppställningar visar en kopparplatta som kan värmas upp med en ficklampa under den, att studera temperaturens inverkan på processen. Ovanpå tallriken, en apparat som består av två reservoarer åtskilda av en kiselstruktur som har ett enda kolnanorör ovanpå. När en strömkälla är ansluten till elektroderna (kablarna som sträcker sig upp från enheten), laddade molekyler (joner) från en av reservoarerna kan passera genom röret, och dess framsteg kan övervakas med hjälp av ett svepelektronmikroskop. Kredit:Choi et al.
Som en ärta som går genom ett sugrör, små molekyler kan passera genom mikroskopiska cylindrar som kallas nanorör. Detta kan potentiellt användas för att välja molekyler efter storlek, till exempel, att rena vatten genom att låta vattenmolekyler passera samtidigt som de blockerar salt eller andra ämnen.
Nu, forskare vid MIT, Seoul University i Korea och Ursinus College i Pennsylvania har funnit att sådana rör är mer selektiva än man trodde:Molekyler av exakt storlek kan glida igenom fem gånger snabbare än de som är lite mindre eller större. De nya rönen publiceras i tidskriften Naturkommunikation av MIT-professorn Michael Strano, doktorander Wonjoon Choi och Zachary Ulissi, och tre andra.
Detta storleksberoende i nanorörstransport var helt oväntat, säger Strano, professor i kemiteknik vid MIT. "Detta arbete illustrerar hur transport i porer av denna typ förblir exotisk och relativt outforskad, " han säger.
Teamet "tittade på jontransport genom de minsta enskilda nanoporerna som har studerats, " säger Strano. Kolnanorören de studerade hade bredder från 0,9 till 2 nanometer - ungefär diametern på en DNA-spiral - och var ungefär 1 millimeter långa.
"Det vi hittade förutspåddes inte av teorin, " säger han:Upp till en viss diameter, flödet av joner genom ett nanorör ökade stadigt - men sedan bortom den diametern, flödet minskade. "Beroendet är en vulkanformad tomt, " säger Strano.
Toppflödet, i mitten av den tomten, tillåter transport som är fem gånger större än transport vid mindre eller större diametrar. "De experimentella resultaten är kontraintuitiva, " Strano säger, "att det verkar finnas en optimal diameter."
Detta storleksberoende av transporter kan visa sig vara användbart i en mängd olika tekniker, han föreslår, inklusive proton-utbytesmembran (PEM) bränsleceller, där molekyler av syre eller väte måste passera genom små porer i ett membran för att producera elektricitet. En annan potentiell tillämpning är i DNA-sekvenseringsenheter, där DNA-segment vanligtvis tränger igenom porerna alldeles för snabbt för att kunna analyseras. Den nya förståelsen kan ge en metod för att "justera" transithastigheten för att sakta ner DNA-sekvenserna tillräckligt för analys.
Det oväntade storleksberoendet beror på två fenomen, föreslår Strano. Enligt en teori utvecklad av teamet, det finns först en attraktionskraft, där jonernas elektriska laddning gör att de dras av ett elektriskt fält genom poren. Eftersom jonerna och rören alla är nedsänkta i vatten, lite vatten dras med också.
Upp till en viss diameter, dessa vattenmolekyler bildar ett lager, eller några lager, runt jonen och dras med den, teamet teoretiserar. Men när öppningen blir större, vattnet beter sig som ett bulkmaterial, bromsa jonernas passage. "Denna förklaring överensstämmer med våra experimentella observationer och molekylära simuleringar av vatten inuti nanorör av denna typ, " Strano säger - även om han betonar att även om data om jonflödet är tydliga, ytterligare teoretiskt arbete behövs för att till fullo förstå denna process.
Fyndet kan hjälpa till att designa bättre membran för avsaltning av vatten. Det största problemet med dagens membran är avvägningen mellan selektivitet kontra flödeshastigheter:Större porer låter vattnet rinna igenom snabbare, men är mindre selektiva. Nanorörs icke-linjära svar kan ge en väg runt det.
"Resultaten tyder på att genom att använda nanoporer med en specifik diameter, det kan vara möjligt att uppnå maximal selektivitet med maximal genomströmning" genom att optimera porstorleken, säger Strano.
Arbetet kan också leda till nya sensorer som kan detektera specifika föroreningar i vatten, säger laget. Till exempel, Arsenikförorening av grundvatten är ett allvarligt hälsoproblem i vissa regioner, men det finns inget tillförlitligt sätt att testa arsenikkoncentrationer i vatten. Selektiviteten hos nanorör kan göra det möjligt att designa en enkel detektor som kan mäta sådan kontaminering, säger Strano.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
