Den mänskliga hjärnan är ett stort nätverk av miljarder biologiska celler som kallas neuroner som avfyrar elektriska signaler som bearbetar information, resulterar i våra sinnen och tankar. Jonkanalerna i atomär skala i varje neuroncellmembran spelar en nyckelroll i sådana bränder som öppnar och stänger jonflödet i en enskild cell av den elektriska spänningen som appliceras över cellmembranet, fungerar som en "biologisk transistor" som liknar elektroniska transistorer i datorer. I årtionden, forskare har lärt sig att biologiska jonkanaler är livets transistorer som kan slussa extremt snabb och exakt selektiv permeation av joner genom selektivitetsfiltren i atomskala för att upprätthålla livsviktiga funktioner. Dock, Det är fortfarande en stor utmaning att producera konstgjorda strukturer för att efterlikna sådana biologiska system för grundläggande förståelse och praktiska tillämpningar.

Forskare ledda av professor Xiang Zhang, presidenten för University of Hong Kong (HKU), har utvecklat en jontransistor i atomskala baserad på elektriskt grindade grafenkanaler med en bredd på cirka 3 ångström som visade mycket selektiv jontransport. De fann också att joner rör sig hundra gånger snabbare i en så liten kanal än de gör i bulkvatten.

Detta genombrott, nyligen rapporterat i Vetenskap , ger inte bara grundläggande förståelse för snabb jonsiktning i atomär skala, men leder också till mycket omkopplingsbar ultrasnabb jontransport som kan hitta viktiga tillämpningar inom elektrokemiska och biomedicinska tillämpningar.

"Denna innovativa jontransistor demonstrerar elektrisk omkoppling av ultrasnabb och samtidigt selektiv jontransport genom kanaler i atomskala som biologiska jonkanaler som fungerar i vår hjärna, " sade principutredaren professor Xiang Zhang. "Det fördjupar vår grundläggande förståelse av jontransport vid ultraliten gräns och kommer att avsevärt påverka viktiga tillämpningar som avsaltning av havsvatten och medicinsk dialys."

Utvecklingen av konstgjorda jonkanaler som använder traditionella porstrukturer har hindrats av avvägningen mellan permeabilitet och selektivitet för jontransport. Porstorlekar som överstiger diametrarna för hydratiserade joner gör att jonselektiviteten i stort sett försvann. Förhöjd selektivitet för envärda metalljoner kan uppnås med exakt kontrollerad kanaldimension på ångströmskalan. Dock, dessa ångströmska kanaler utesluter signifikant den snabba diffusionen på grund av steriskt motstånd för hydratiserade joner att komma in i smalare kanalutrymme.

"Vi observerade ultrasnabb selektiv jontransport genom grafenkanalen i atomskala med en effektiv diffusionskoefficient så hög som Deff ≈ 2,0 x 10 ^-7 m ² /s." sa studiens huvudförfattare Yahui Xue, en tidigare postdoktor i professor Zhangs grupp. "Som vi förstår det, detta är den snabbaste diffusion som observerats i koncentrationsdriven jongenomträngning genom konstgjorda membran och överträffar till och med den inneboende diffusionskoefficienten som observerats i biologiska kanaler."

Forskare från Hong Kong och UC Berkeley använde först grindspänning för att kontrollera ytpotentialen för grafenkanaler och insåg ultrahög täthet av laddningspackning inuti dessa kanaler. Grannladdningarna uppvisar stark elektrostatisk interaktion med varandra. Detta resulterar i ett dynamiskt laddningsjämviktstillstånd så att införandet av en laddning från ena änden av kanalen skulle leda till att en annan sprutas ut i den andra änden. Den resulterande samordnade laddningsrörelsen förbättrar avsevärt den totala transporthastigheten och effektiviteten.

"Våra optiska mätningar på plats visade en laddningstäthet så hög som 1,8 x 10 ¹⁴ /centimeter ² vid den största pålagda grindspänningen." sa Yang Xia, en före detta Ph.D. student i professor Zhangs grupp. "Det är förvånansvärt högt, och vår genomsnittliga fältteoretiska modellering tyder på att den ultrasnabba jontransporten tillskrivs mycket tät packning av joner och deras samordnade rörelse inuti grafenkanalerna."

Jontransistorn i atomär skala har också visat överlägsen kopplingsförmåga, liknande den i biologiska kanaler, härrörande från ett tröskelbeteende inducerat av den kritiska energibarriären för införande av hydratiserade joner. Den mindre kanalstorleken än hydratiseringsdiametrarna för alkalimetalljoner skapar en inneboende energibarriär som förbjuder joninträde i tillståndet med öppen krets. Genom att applicera gating elektrisk potential, hydreringsskalet kan förvrängas eller delvis strippas för att övervinna energibarriären för joninträde, möjliggör joninterkalering och så småningom permeabel jontransport bortom en perkolationströskel.

Grafenkanalen i atomär skala var gjord av en enda flinga reducerad grafenoxid. Denna konfiguration har fördelen av intakta lagerstrukturer för grundläggande egenskapsundersökningar och bevarar också stor flexibilitet för uppskalning av tillverkning i framtiden.

Urvalssekvensen av alkalimetalljoner genom jontransistorn i atomskala visade sig likna den för biologiska kaliumkanaler. Detta innebär också en styrmekanism som liknar biologiska system, som kombinerar jonuttorkning och elektrostatisk interaktion.

Detta arbete är ett grundläggande genombrott i studiet av jontransport genom fasta porer i atomär skala. Integreringen av jontransistorerna i atomär skala i storskaliga nätverk kan till och med göra det möjligt att producera spännande artificiella neurala system och till och med hjärnliknande datorer.