Nanokanaler har viktiga tillämpningar inom biomedicin, avkänning, och många andra områden. Även om ingenjörer som arbetar inom nanoteknik har tillverkat dessa små, rörliknande strukturer i åratal, mycket är fortfarande okänt om deras egenskaper och beteende.

Nu, University of Maryland maskinteknik docent Siddhartha Das och en grupp av hans Ph.D. studenter har publicerat överraskande nya rön i tidskriften ACS Nano . Med hjälp av simuleringar på atomnivå, Das och hans team kunde visa att laddningsegenskaper såväl som laddningsinducerat vätskeflöde inom en funktionaliserad nanokanal inte alltid beter sig som förväntat.

"Vi har upptäckt ett nytt sammanhang för nanokanaler funktionaliserade genom att ympa deras innerväggar med laddade polymermolekyler (även kända som polyelektrolyter eller PE), "Das sa, syftar på processen att ympa polymerer eller andra ämnen på nanokanalen för att få den att fungera på ett visst sätt. "Funktionaliseringen av nanokanaler är inte ny. Men vi har kommit fram till ett paradigmskifte när det gäller att förstå beteendet och egenskaperna hos sådana system i samband med deras laddningsegenskaper och deras förmåga att reglera vätskeflödet.

"Till exempel, "Das sa, "Vi har upptäckt en ny typ av flödesbeteende i sådana funktionaliserade nanokanaler; genom att öka storleken på det elektriska fältet som appliceras på en nanokanal, riktningen för detta elektriska fältdrivna flöde (ofta känt som elektroosmotiskt flöde) kan vändas."

Uppsatsen av Das och hans elever beskriver tre specifika upptäckter. För det första, de visade att när polyelektrolyter (PE) ympas i form av ett lager på nanokanalens innervägg, detta PE-skikt kommer, under vissa förutsättningar, genomgå en överraskande omkastning av elektrisk laddning. I vanliga fall, om negativa PE-molekyler har fästs till nanokanalen, PE-skiktet i närheten bör ha en negativ nettoladdning. Das och hans elever, dock, identifierade situationer där laddningen blir inverterad och nettoladdningen i skiktet är positiv på grund av attraktionen av fler antal positiva joner (än vad som behövs för att screena PE-skiktets laddning) i skiktet - detta fenomen är känt som "överscreening ."

Teamet undersökte sedan hur denna överscreening påverkar det externa elektriska fältdrivna flödet (känd som det elektroosmotiska eller EOS-flödet) inom nanokanalen. De hittade, förvånande, att i sådana situationer drivs flödet av joner med samma laddning som Pes ympad på kanalväggarna; Således, en negativt laddad polymer skapar ett netto positivt fält i dess närhet, men flödet drivs av de negativa jonerna.

"Vi kallar detta 'samjondriven elektroosmos, ' och vår tidning markerar första gången detta fenomen har identifierats, " sa Das.

Till sist, teamet visade de oväntade resultaten av att öka storleken på det elektriska fältet:PE-molekylerna fästa vid nanokanalen blir deformerade, och jonerna som orsakade fallet av överscreening börjar fly från PE-skiktet. Detta gör att överscreeningen upphör, och vänder också flödesriktningen i kanalen:om den rörde sig från vänster till höger, till exempel, den växlar till höger-vänster. "Ingen förutspådde detta, " sa Das.

Fynden är betydande, Das sa, eftersom mycket av intresset för nanokanaler beror på deras förmåga att transportera molekyler. "Eftersom flow är så viktigt, en ny upptäckt inom detta område gör att vi kan bygga vidare på vår förståelse för hur nanokanaler fungerar och vad vi kan göra med dem, " sa Das. "Det finns andra metoder för att vända flödet, men hittills var det inte känt att vi kan åstadkomma detta genom att öka fältstyrkan."