Nanokanaler är porer eller kanaler i nanoskala som kan användas för att kontrollera rörelsen av joner och molekyler. De har väckt stort intresse inom områden som nanoteknik, kemi och biologi på grund av deras unika egenskaper och potentiella tillämpningar. Att förstå mekanismerna bakom den selektiva transporten av specifika joner genom nanokanaler är dock fortfarande en utmanande uppgift.
I denna studie undersökte forskare från University of Tokyo och RIKEN Center for Sustainable Resource Science jonselektiviteten hos nanokanaler som bildas av självmonterade cykliska peptider. Med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik och beräkningar av fri energi undersökte de interaktionerna mellan kaliumjoner och nanokanalväggarna och jämförde dem med andra alkalimetalljoner (litium, natrium, rubidium och cesium).
Simuleringarna visade att nanokanalen uppvisar en stark preferens för kaliumjoner framför andra alkalimetalljoner. Denna selektivitet tillskrivs främst de specifika interaktionerna mellan kaliumjonerna och syreatomerna på nanokanalens inre yta. Dessa interaktioner är starkare för kaliumjoner jämfört med andra alkalimetalljoner på grund av lämplig storlek och laddningstäthetsmatchning mellan kaliumjoner och nanokanalen.
Dessutom fann studien att nanokanalen effektivt kan skilja mellan kaliumjoner och andra alkalimetalljoner även i närvaro av höga koncentrationer av andra joner. Denna anmärkningsvärda selektivitet tillskrivs den samverkande effekten av flera syreatomer i nanokanalen, som tillsammans bidrar till bindning och transport av kaliumjoner.
Forskarna undersökte också effekterna av nanokanalstorlek och applicerad spänning på jonselektivitet. De fann att jonselektiviteten blir mer uttalad när nanokanalstorleken minskar, och den kan förbättras ytterligare genom att applicera en lämplig spänningsförspänning över nanokanalen.
Resultaten av denna studie ger värdefulla insikter om jontransportmekanismerna för nanokanaler och belyser deras potential för selektiv jontransport och -separation. Den grundläggande förståelsen från denna forskning kan vägleda den rationella designen och optimeringen av nanokanaler för olika tillämpningar, såsom jonseparationsmembran, biosensorer och energieffektiva avsaltningssystem.
Genom att manipulera interaktionerna mellan joner och nanokanalväggarna är det möjligt att uppnå mycket selektiv transport av specifika joner, som kan utnyttjas i ett brett spektrum av tekniska framsteg och bidra till att möta globala utmaningar relaterade till vattenbrist, energiförbrukning och miljö hållbarhet.
