Ytan på en enda cell innehåller hundratals små porer, eller jonkanaler, som var och en är en portal för specifika joner. Jonkanaler är typiskt cirka 1 nanometer breda; genom att upprätthålla rätt balans av joner, de håller cellerna friska och stabila.

Nu har forskare vid MIT skapat små porer i enstaka ark av grafen som har en rad preferenser och egenskaper som liknar jonkanalerna i levande celler.

Varje grafenpor är mindre än 2 nanometer bred, vilket gör dem till de minsta porerna genom vilka forskare någonsin har studerat jonflöde. Var och en är också unikt selektiv, föredrar att transportera vissa joner framför andra genom grafenskiktet.

"Vad vi ser är att det finns en stor mångfald i transportegenskaperna för dessa porer, vilket innebär att det finns en stor potential att skräddarsy dessa porer för olika applikationer eller selektiviteter, säger Rohit Karnik, en docent i maskinteknik vid MIT.

Karnik säger att grafennanoporer kan vara användbara som sensorer - till exempel, upptäcka joner av kvicksilver, kalium, eller fluorid i lösning. Sådana jonselektiva membran kan också vara användbara i gruvdrift:I framtiden, det kan vara möjligt att göra grafennanoporer som kan sålla bort spårmängder av guldjoner från andra metalljoner, som silver och aluminium.

Karnik och tidigare doktorand Tarun Jain, tillsammans med Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier, och Sean O'Hern från MIT och Juan-Carlos Idrobo från Oak Ridge National Laboratory, publicera sina resultat idag i tidskriften Naturens nanoteknik .

Dynamisk personlighet

I levande celler, mångfalden av jonkanaler kan härröra från kanalernas storlek och exakta atomarrangemang, som är något mindre än jonerna som flödar genom dem.

"När nanoporer blir mindre än den hydratiserade storleken på jonen, då börjar du se intressant beteende dyka upp, " säger Jain.

Särskilt, hydratiserade joner, eller joner i lösning, är omgivna av ett skal av vattenmolekyler som fastnar på jonen, beroende på dess elektriska laddning. Huruvida en hydratiserad jon kan pressa sig igenom en given jonkanal beror på den kanalens storlek och konfiguration på atomär skala.

Karnik resonerade att grafen skulle vara ett lämpligt material för att skapa konstgjorda jonkanaler:Ett ark av grafen är ett ultratunt galler av kolatomer som är en atom tjockt, så porer i grafen definieras på atomär skala.

För att skapa porer i grafen, gruppen använde kemisk ångavsättning, en process som vanligtvis används för att producera tunna filmer. I grafen, processen skapar naturligt små defekter. Forskarna använde processen för att generera nanometerstora porer i olika ark av grafen, som liknade ultratunn schweizisk ost.

Forskarna isolerade sedan enskilda porer genom att placera varje grafenark över ett lager av kiselnitrid som hade punkterats av en jonstråle, vars diameter är något mindre än avståndet mellan grafenporerna. Gruppen resonerade att alla joner som flödade genom tvåskiktsuppsättningen troligen skulle ha passerat först genom en enda grafenpor, och sedan genom det större kiselnitridhålet.

Gruppen mätte flöden av fem olika saltjoner genom flera grafenarkuppsättningar genom att applicera en spänning och mäta strömmen som flyter genom porerna. Strömspänningsmätningarna varierade mycket från por till por, och från jon till jon, med några porer som förblir stabila, medan andra svängde fram och tillbaka i konduktans - en indikation på att porerna var olika i sina preferenser för att släppa igenom vissa joner.

"Bilden som framträder är att varje por är olika och att porerna är dynamiska, "Karnik säger. "Varje por börjar utveckla sin egen personlighet."

Ny gräns

Karnik och Jain utvecklade sedan en modell för att tolka mätningarna, och använde den för att översätta experimentets mätningar till uppskattningar av porstorlek. Baserat på modellen, de fann att diametern på många av porerna var under 1 nanometer, vilket – med tanke på grafenets enatomtjocklek – gör dem till de minsta porerna genom vilka forskare har studerat jonflödet.

Med modellen, gruppen beräknade effekten av olika faktorer på porbeteende, och fann att det observerade porbeteendet fångades av tre huvudegenskaper:en porstorlek, dess elektriska laddning, och positionen för den laddningen längs en pors längd.

Att veta detta, forskare kanske en dag kan skräddarsy porer i nanoskala för att skapa jonspecifika membran för tillämpningar som miljöavkänning och spårmetallbrytning.

"Det är en slags ny gräns inom membranteknologi, och för att förstå transport genom dessa riktigt små porer i ultratunna material, säger Karnik.