Schematiskt diagram som visar processen för jonisk värmeavledning i en nanopor (vänster). En termometer i nanoskala inbäddad på ena sidan av nanoporen för att upptäcka lokala temperaturförändringar orsakade av spänningsdriven jontransport (höger). Kredit:© 2022 M. Tsutsui et al., Jonisk värmeavledning i solid-state porer. Vetenskapliga framsteg
Forskare från SANKEN (institutet för vetenskaplig och industriell forskning) vid Osaka University mätte de termiska effekterna av jonflöde genom en nanopor med hjälp av ett termoelement. De fann att under de flesta förhållanden varierade både strömmen och värmeeffekten med pålagd spänning, vilket förutspåtts av Ohms lag. Detta arbete kan leda till mer avancerade sensorer i nanoskala.
Nanoporer, som är små öppningar i ett så litet membran att endast en enda DNA-sträng eller viruspartikel kan passera, är en spännande ny plattform för att bygga sensorer. Ofta appliceras en elektrisk spänning mellan de två sidorna av membranet för att dra ämnet som ska analyseras genom nanoporen. Samtidigt kan laddade joner i lösningen transporteras, men deras effekt på temperaturen har inte studerats i detalj. En direkt mätning av de termiska effekterna som orsakas av dessa joner kan hjälpa till att göra nanoporer mer praktiska som sensorer.
Nu har ett team av forskare vid Osaka University skapat ett termoelement av guld och platina nanotrådar med en kontaktpunkt bara 100 nm i storlek som fungerade som termometern. Den användes för att mäta temperaturen direkt bredvid en nanopor skuren i en 40 nm tjock film upphängd på en silikonskiva.
Jouleuppvärmning uppstår när elektrisk energi omvandlas till värme av motståndet i en tråd. Denna effekt uppstår i brödrostar och elektriska spisar, och kan ses som oelastisk spridning av elektronerna när de kolliderar med kärnorna i tråden. När det gäller en nanopore fann forskarna att termisk energi försvann i proportion till jonflödets rörelsemängd, vilket är i linje med förutsägelserna i Ohms lag. När forskarna studerade en 300 nm-stor nanopore, registrerade forskarna jonströmmen i en fosfatbuffrad saltlösning som en funktion av applicerad spänning. "Vi visade nästan ohmskt beteende över ett brett spektrum av experimentella förhållanden", säger första författaren Makusu Tsutsui.
Med mindre nanoporer blev uppvärmningseffekten mer uttalad, eftersom mindre vätska från den kallare sidan kunde passera för att utjämna temperaturen. Som ett resultat kan uppvärmningen orsaka en icke försumbar effekt, med nanoporer som upplever en temperaturökning på några grader under standarddriftsförhållanden. "Vi förväntar oss utvecklingen av nya nanopore-sensorer som inte bara kan identifiera virus, utan också kan inaktivera dem samtidigt", säger seniorförfattaren Tomoji Kawai. Forskarna föreslog andra situationer där uppvärmningen kan vara fördelaktig – till exempel för att förhindra att nanoporen täpps till av en polymer eller för att separera DNA-strängarna som sekvenseras.
Artikeln "Ionic heat dissipation in solid-state pores," publiceras i Science Advances . + Utforska vidare
