Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD

Forskere Udvikle Kunstige fluidisk Nanochannels på 2 nm Størrelse

Published on December 15, 2010 at 1:03 AM

De siger, det er de små ting, der tæller, og at der helt sikkert gælder for kanalerne i transmembrane proteiner, som er små nok til, at ioner eller molekyler af en vis størrelse at passere, og samtidig holde sig større objekter.

Kunstig fluidisk nanochannels, der efterligner funktionerne i transmembrane proteiner er højt værdsat for en række avancerede teknologier. Det har imidlertid været vanskeligt at foretage individuelle kunstige kanaler af denne størrelse - indtil nu.

Chuanhua Duan var en del af en vellykket Berkeley Lab indsats for at fabrikere nanochannels, der målte kun to nanometer i størrelse, ved hjælp af standard halvleder fremstillingsprocesser.

Forskere med det amerikanske Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har været i stand til at fabrikere nanochannels, der er kun to nanometer (2-nm) i størrelse, ved hjælp af standard halvleder fremstillingsprocesser. Allerede de har brugt disse nanochannels at opdage, at fluidmekanik for passager denne lille er væsentligt forskellige, ikke kun fra bulk-størrelse-kanaler, men selv fra kanaler, der blot er 10 nanometer i størrelse.

"Vi var i stand til at studere iontransport i vores 2-nm nanochannels ved at måle den tid og koncentration afhængighed af de ioniske ledningsevne," siger Arun Majumdar, direktør for DOE Advanced Research Projects Agency - Energi (ARPA-E), der ledede denne forskning mens stadig en forsker ved Berkeley Lab. "Vi observerede en langt højere proton og ion mobilitet i vores begrænset hydreret kanaler -. Op til en firedobling over det i større nanochannels (10-til-100 nm) Denne øgede proton transport kan forklare det høje gennemløb af protoner i transmembrane kanaler. "

Majumdar er medforfatter med Chuanhua Duan, et medlem af Majumdar forskergruppe ved University of California (UC) Berkeley, af et dokument om dette arbejde, som blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnlogy. Papiret har titlen "afvigende ion-transport i 2-nm hydrofile nanochannels."

I deres papir, beskriver Majumdar og Duan en teknik, hvor høj præcision ion ætsning er kombineret med anodisk bonding at fremstille kanaler af en bestemt størrelse og geometri på en silicium-på-glas dør. For at forhindre kanalen i at kollapse under den stærke elektrostatiske kræfter anodisk bonding processen, var en tyk (500 nm) oxid lag deponeret på glas substrat.

"Denne deposition trin og de følgende limning skridt garanteret succes kanal forsegling uden at bryde sammen," siger Duan. "Vi havde også til at vælge den rigtige temperatur, spænding og tidsperiode for at sikre perfekt limning. Jeg sammenligner processen for at lave mad en bøf, skal du vælge den rigtige krydderier såvel som det rigtige tidspunkt og temperatur. Afsætningen af ​​oxidlaget var den rigtige krydderier for os. "

Den nanometer-store kanaler i transmembrane proteiner er afgørende for at styre strømmen af ​​ioner og molekyler på tværs af udvendige og indvendige vægge af en biologisk celle, som igen er afgørende for mange af de biologiske processer, der opretholder cellen. Ligesom deres biologiske kolleger, kunne fluidisk nanochannels spille afgørende roller i fremtidens brændselsceller og batterier.

"Enhanced iontransport forbedrer effekttæthed og praktisk energitæthed af brændselsceller og batterier," Duan siger. "Selvom den teoretiske energitætheden i brændselsceller og batterier, som er bestemt af de aktive elektrokemiske materialer, den praktiske energitætheden er altid meget lavere på grund af interne energitab og brugen af ​​inaktive komponenter. Enhanced ion-transport kan reducere den interne modstand i brændselsceller og batterier, som ville reducere det indre energimarked tab og øge den praktiske energitæthed. "

Resultaterne af Duan og Majumdar tyder på, at iontransport kan øges væsentligt i 2-nm hydrofile nanostrukturer på grund af deres geometriske indespærringer og høje overflade-charge tætheder. Som et eksempel nævner Duan separatoren, komponenten placeres mellem mellem katoden og anoden i batterier og brændselsceller for at forhindre fysisk kontakt mellem elektroderne, samtidig med at fri ionisk transport.

"Nuværende separatorer er for det meste mikroporer lag, der består af enten en polymer membran eller ikke-vævet stof mat," Duan siger. "En uorganisk membran indlejret med en bred vifte af 2-nm hydrofile nanochannels kunne bruges til at erstatte de nuværende separatorer og forbedre det praktiske magt og energitæthed."

Den 2-nm nanochannels også lovende for biologiske applikationer, fordi de har potentialet til at blive brugt til direkte styre og manipulere fysiologiske løsninger. Nuværende nanofluidic enheder udnytte kanaler, der er 10-til-100 nm i størrelse til at adskille og manipulere biomolekyler. På grund af problemer med elektrostatiske vekselvirkninger, kan disse større veje fungerer med kunstige løsninger, men ikke med naturlige fysiologiske løsninger.

"For fysiologiske løsninger med typiske ion koncentrationer på omkring 100 millimolars er Debye screeningen længde 1 nm," siger Duan. "Siden elektriske dobbelt lag fra to-kanals flader overlapper hinanden i vores 2-nm nanochannels, kan alle aktuelle biologiske applikationer findes i større nanochannels blive overført til 2-nm nanochannels for rigtige fysiologiske medier."

Det næste skridt for forskerne bliver at studere transport af ioner og molekyler i hydrofile nanorør, der er endnu mindre end 2-nm. Ion transport forventes at blive yderligere forstærket af de mindre geometri og stærkere hydrering kraft.

"Jeg er ved at udvikle et uorganisk membranen med indlejrede sub-2 nm hydrofile nanorør array, der vil blive brugt til at studere iontransport i både vandige og organiske elektrolytter," Duan siger. "Det vil også blive udviklet som en ny type separator for lithium- ion-batterier. "

Kilde: http://www.lbl.gov/

Last Update: 7. October 2011 03:14

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit