Ultrasnabb likriktande motriktad transport av katjoner. Kredit:Professor Huanting Wang, Institutionen för kemi- och biologisk teknik, Monash Center for Membrane Innovation, Monash University
Forskare från Monash University har utvecklat en snabbare, effektivare nanoenhet för att filtrera proton- och alkalimetalljoner som kommer att hjälpa till att designa nästa generations membran för ren energiteknik, omvandling och lagring.
Den nya nanoenheten arbetar med precision i atomskala, samtidigt som den genererar sin egen kraft genom omvänd elektrodialys.
I artikeln publicerad i tidskriften Science Advances , har ett team av forskare under ledning av den australiensiska pristagaren professor Huanting Wang från Monash University funnit att en metall-organisk ram (MIL-53-COOH)-polymer nanofluidic enhet efterliknar funktionerna hos både biologiska inåtriktande kaliumkanaler och utåtriktande protonkanaler.
"Det har viktiga verkliga implikationer, särskilt för att designa nästa generations membran för ren energiteknik, energiomvandling och lagring, hållbar gruvdrift och tillverkning, med specifika tillämpningar inom syra- och mineralåtervinning", säger professor Wang, som ledde projektet med forskarstipendiat Dr Jun Lu från Monash University's Department of Chemical and Biological Engineering.
Kaliumkanaler är den mest spridda typen av jonkanaler och finns i praktiskt taget alla levande organismer. Riktningsstyrd ultrasnabb transport av joner med precision i atomskala är en av kärnfunktionerna för biologiska jonkanaler i cellmembran.
Dessa biologiska jonkanaler bibehåller tillsammans elektrolyt- och pH-balansen över cellmembranen, vilket är väsentligt för cellernas fysiologiska aktiviteter.
Till exempel är elektrolytkoncentrationsstörningen i celler, särskilt för positivt laddade joner som kalium, natrium och proton, känt för att ha ett direkt samband med vissa sjukdomar som epilepsi.
Inspirerade av dessa funktioner har konstgjorda nanokanalanordningar konstruerade av porösa material studerats i stor utsträckning för experimentell undersökning av nanofluidisk jontransport för att uppnå de jonspecifika transportegenskaper som observeras i biologiska jonkanaler.
Till exempel har kolnanorör, grafen, polymerer och metallorganiska ramverk (MOF) använts för att konstruera nanometerstora porer för att efterlikna jonisk och molekylär transport av biologiska jonkanaler i atomär skala.
Upptäckten av bioinspirerad ultrasnabb likriktande motriktad transport av proton- och metalljoner har dock inte rapporterats förrän nu.
"Det oöverträffade jonspecifika likriktande transportbeteendet som finns i vår metall-organiska ramverk (MIL-53-COOH)-polymer nanofluidic enhet hänförs till två distinkta mekanismer för metalljoner och protoner, förklaras av teoretiska simuleringar. Detta arbete främjar vår kunskap om designa konstgjorda jonkanaler, vilket är viktigt för nanofluidik, membran- och separationsvetenskap, säger professor Wang.
"Detta är ett spännande grundläggande fynd och vi hoppas att det stimulerar mer forskning inom dessa viktiga områden", säger professor Wang. + Utforska vidare
