Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har genomfört simuleringar som tyder på att grafen, förutom dess många andra användbara funktioner, kan modifieras med speciella porer för att fungera som ett inställbart filter eller sil för joner (laddade atomer) i en vätska.

Konceptet, som också kan fungera med andra membranmaterial, kan ha tillämpningar som mekaniska sensorer i nanoskala, drogleverans, vattenrening och siktar eller pumpar för jonblandningar som liknar biologiska jonkanaler, som är avgörande för funktionen av levande celler. Forskningen beskrivs i numret 26 november av Naturmaterial .

"Föreställ dig något som en finmaskig kökssil med socker som rinner genom den, ", sa projektledaren Alex Smolyanitsky. "Du sträcker den silen på ett sådant sätt att varje hål i nätet blir 1-2 procent större. Du kan förvänta dig att flödet genom det nätet kommer att öka med ungefär samma mängd. Väl, här ökar den faktiskt 1, 000 procent. Jag tycker det är ganska coolt, med massor av applikationer."

Om det kan uppnås experimentellt, denna grafensikt skulle vara den första artificiella jonkanalen som erbjuder en exponentiell ökning av jonflödet när den sträcks, erbjuder möjligheter till snabb jonseparation eller pumpar eller exakt salthaltskontroll. Samarbetspartners planerar laboratoriestudier av dessa system, sa Smolyanitsky.

Grafen är ett lager av kolatomer ordnade i hexagoner, liknar kycklingnät till formen, som leder elektricitet. NIST molekylära dynamiksimuleringar fokuserade på ett grafenark 5,5 gånger 6,4 nanometer (nm) i storlek och med små hål kantade med syreatomer. Dessa porer är kronetrar - elektriskt neutrala cirkulära molekyler kända för att fånga metalljoner. En tidigare NIST-simuleringsstudie visade att denna typ av grafenmembran kan användas för nanofluidisk beräkning.

I simuleringarna, grafenet suspenderades i vatten innehållande kaliumklorid, ett salt som spjälkas till kalium- och klorjoner. Kroneterporerna kan fånga kaliumjoner, som har en positiv laddning. Infångnings- och frigöringshastigheterna kan styras elektriskt. Ett elektriskt fält av olika styrkor applicerades för att driva jonströmmen som flödade genom membranet.

Forskare simulerade sedan att dra i membranet med olika grader av kraft för att sträcka ut och vidga porerna, ökar kraftigt flödet av kaliumjoner genom membranet. Stretching åt alla håll hade störst effekt, men även att dra åt ett håll hade en delvis effekt.

Forskare fann att den oväntat stora ökningen av jonflödet berodde på ett subtilt samspel mellan ett antal faktorer, inklusive tunnheten hos grafen; interaktioner mellan joner och den omgivande vätskan; och jon-por interaktioner, som försvagas när porerna sträcks något. Det finns en mycket känslig balans mellan joner och deras omgivning, sa Smolyanitsky.