För första gången, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har visat att kolnanorör så små som åtta tiondelar av en nanometer i diameter kan transportera protoner snabbare än bulkvatten, av en storleksordning.

Forskningen validerar en 200 år gammal mekanism för protontransport.

En nanometer är en miljarddels meter. Som jämförelse, diametern på ett människohår är 20, 000 nanometer.

Transporthastigheterna i dessa nanorörsporer, som bildar endimensionella vattentrådar, överskrider också de för biologiska kanaler och konstgjorda protonledare, gör kolnanorör till den snabbaste kända protondirektorn. Forskningen visas i den avancerade onlineutgåvan av tidskriften den 4 april Naturens nanoteknik .

Praktiska tillämpningar inkluderar protonbytesmembran, protonbaserad signalering i biologiska system och det växande området protonbioelektronik (protonik).

"Det coola med våra resultat är att vi upptäckte att när du klämmer in vatten i nanoröret, protoner rör sig genom det vattnet ännu snabbare än genom normalt (bulk) vatten, "sa Aleksandr Noy, en LLNL -biofysiker och en huvudförfattare till tidningen. (Bulkvatten liknar det du skulle hitta i en kopp vatten som är mycket större än storleken på en enda vattenmolekyl).

Tanken att protoner reser snabbt i lösningar genom att hoppa längs kedjor av vätebundna vattenmolekyler går tillbaka 200 år till Theodore von Grotthuss arbete och är fortfarande grunden för den vetenskapliga förståelsen av protontransport. I den nya forskningen, LLNL-forskare använde kolnanorörsporer för att rada upp vattenmolekyler i perfekta endimensionella kedjor och visade att de låter protontransporthastigheter närma sig de yttersta gränserna för Grotthuss transportmekanism.

"Möjligheten att uppnå snabb protontransport genom att ändra vattennivån är spännande, "Sa Noy." Än så länge, de konstgjorda protonkonduktorerna, såsom polymer Nafion, använda en annan princip för att förbättra protontransporten. Vi har efterliknat hur biologiska system förbättrar protontransporten, tog det till det yttersta, och nu inser vårt system den yttersta gränsen för protonkonduktivitet i en nanopor. "

Av alla konstgjorda material, de smala hydrofoba inre porerna i kolnanorör (CNT) håller det mest löftet att leverera nivå av inneslutning och svaga interaktioner med vattenmolekyler som underlättar bildandet av endimensionella vätebundna vattenkedjor som förbättrar protontransport.

Tidigare molekylära dynamiska simuleringar visade att vatten i nanorör med 0,8 nm diameter skulle skapa sådana vattentrådar och förutspådde att dessa kanaler skulle uppvisa protontransporthastigheter som skulle vara mycket snabbare än för bulkvatten. Ramya Tunuguntla, en LLNL -postdoktor och den första författaren på uppsatsen, sade att trots betydande ansträngningar i studier av transport av kolnanorör, dessa förutsägelser visade sig vara svåra att validera, främst på grund av svårigheterna med att skapa CNT-porer med sub-1-nm diameter.

Dock, Lawrence Livermore-teamet, tillsammans med kollegor från Lawrence Berkeley National Lab och UC Berkeley, kunde skapa ett enkelt och mångsidigt experimentellt system för att studera transport i extremt smala CNT-porer. De använde kolnanorörsporiner (CNTP), en teknik som de utvecklat tidigare på LLNL, som använder kolnanorör inbäddade i lipidmembranet för att efterlikna biologisk jonkanalfunktion. Det viktigaste genombrottet var skapandet av nanorörsporiner med en diameter mindre än 1 nm, vilket gjorde det möjligt för forskare för första gången att uppnå verklig endimensionell vattenbegränsning.