Forskare vid University of Manchesters National Graphene Institute i Storbritannien har för första gången lyckats göra konstgjorda kanaler till bara en atom i storlek. De nya kapillärerna, som är mycket som naturliga proteinkanaler som akvaporiner, är tillräckligt små för att blockera flödet av minsta joner som Na+ och Cl- men låter vatten rinna igenom fritt. Förutom att förbättra vår grundläggande förståelse av molekylär transport på atomär skala, och särskilt i biologiska system, strukturerna kan vara idealiska för avsaltning och filtreringsteknik.

"Självklart, det är omöjligt att göra kapillärer mindre än en atom i storlek, " förklarar lagledaren Sir Andre Geim. "Vår bedrift verkade nästan omöjlig, även i efterhand, och det var svårt att föreställa sig så små kapillärer för bara ett par år sedan."

Naturligt förekommande proteinkanaler, som akvaporiner, låt vatten snabbt tränga igenom dem men blockerar hydratiserade joner större än cirka 7 A i storlek tack vare mekanismer som sterisk (storlek) uteslutning och elektrostatisk repulsion. Forskare har försökt göra konstgjorda kapillärer som fungerar precis som deras naturliga motsvarigheter, men trots stora framsteg med att skapa porer och nanorör i nanoskala, alla sådana strukturer har hittills fortfarande varit mycket större än biologiska kanaler.

Geim och kollegor har nu tillverkat kanaler som är cirka 3,4 A höga. Detta är ungefär hälften så stort som de minsta hydratiserade jonerna, såsom K+ och Cl-, som har en diameter på 6,6 A. Dessa kanaler beter sig precis som proteinkanaler genom att de är tillräckligt små för att blockera dessa joner men är tillräckligt stora för att tillåta vattenmolekyler (med en diameter på cirka 2,8 A) att fritt strömma igenom.

Strukturerna kan, viktigt, hjälpa till att utveckla kostnadseffektiva, högflödesfilter för vattenavsaltning och relaterad teknologi – en helig gral för forskare inom området.

Lego i atomär skala

Genom att publicera sina resultat i Science skapade forskarna sina strukturer med hjälp av en van der Waals monteringsteknik, även känd som "Lego i atomskala", som uppfanns tack vare forskning om grafen. "Vi klyver atomärt platta nanokristaller bara 50 och 200 nanometer i tjocklek från bulkgrafit och placerar sedan remsor av monolagergrafen på ytan av dessa nanokristaller, " förklarar Dr Radha Boya, en medförfattare till forskningsartikeln. "Dessa remsor tjänar som distanser mellan de två kristallerna när en liknande atomärt platt kristall därefter placeras ovanpå. Den resulterande treskiktsenheten kan ses som ett par kantförskjutningar kopplade till ett platt tomrum däremellan. Detta utrymme kan endast rymma en atomlager av vatten."

Att använda grafenmonoskikten som distanser är en första och det är detta som gör de nya kanalerna annorlunda från alla tidigare strukturer, hon säger.

Manchester-forskarna designade sina 2D-kapillärer för att vara 130 nm breda och flera mikrometer långa. De monterade dem på toppen av ett kiselnitridmembran som separerade två isolerade behållare för att säkerställa att kanalerna var den enda vägen genom vilken vatten och joner kunde flöda.

Tills nu, forskare hade bara kunnat mäta vatten som strömmade genom kapillärer som hade mycket tjockare distanser (cirka 6,7 ​​A höga). Och medan några av deras molekylära dynamiksimuleringar indikerade att mindre 2D-håligheter skulle kollapsa på grund av van der Waals attraktion mellan de motsatta väggarna, andra beräkningar pekade på det faktum att vattenmolekyler inuti slitsarna faktiskt kunde fungera som ett stöd och förhindra till och med en atom höga slitsar (bara 3,4 A höga) från att falla ner. Detta är verkligen vad Manchester-laget nu har hittat i sina experiment.

Mätning av vatten- och jonflöde

"Vi mätte vattengenomträngning genom våra kanaler med en teknik som kallas gravimetri, " säger Radha. "Här, vi låter vatten i en liten förseglad behållare avdunsta uteslutande genom kapillärerna och vi mäter sedan exakt (till mikrogram precision) hur mycket vikt behållaren förlorar under en period av flera timmar."

Att göra detta, forskarna säger att de byggde ett stort antal kanaler (över hundra) parallellt för att öka känsligheten i deras mätningar. De använde också tjockare toppkristaller för att förhindra häng, och klippte den övre öppningen av kapillärerna (med plasmaetsning) för att avlägsna eventuella blockeringar av tunna kanter som finns här.

För att mäta jonflöde, de tvingade joner att röra sig genom kapillärerna genom att applicera ett elektriskt fält och mätte sedan de resulterande strömmarna. "Om våra kapillärer var två atomer höga, vi upptäckte att små joner kan röra sig fritt genom dem, precis som vad som händer i bulkvatten, säger Radha. Däremot inga joner kunde passera genom våra slutligen små enatoms höga kanaler.

"Undantaget var protoner, som är kända för att röra sig genom vatten som äkta subatomära partiklar, snarare än joner klädda i relativt stora hydratiseringsskal flera ångström i diameter. Våra kanaler blockerar alltså alla hydratiserade joner men låter protoner passera."

Eftersom dessa kapillärer beter sig på samma sätt som proteinkanaler, de kommer att vara viktiga för att bättre förstå hur vatten och joner beter sig på molekylär skala – som i biologiska filter i ångströmskala. "Vårt arbete (både nuvarande och tidigare) visar att atomärt begränsat vatten har mycket olika egenskaper än bulkvatten, " förklarar Geim. "T.ex. den blir starkt skiktad, har en annan struktur, och uppvisar radikalt olika dielektriska egenskaper."