Forscher Entwickeln Künstliches Flüssiges Nanochannels 2 nm der Größe

Published on December 15, 2010 at 1:03 AM

Sie sagen, dass es die Kleinigkeiten ist, die zählen und das zweifellos wahr für die Kanäle in den Transmembraneproteinen anhält, die genug klein sind, Ionen oder Moleküle einer bestimmten Größe durch passieren zu lassen, beim größere Nachrichten abhalten.

Künstliche flüssige nanochannels, die die Fähigkeiten von Transmembraneproteinen nachahmen, sind für einige neue Technologien in hohem Grade taxiert. Jedoch ist es schwierig gewesen, einzelne künstliche Kanäle von dieser Größe herzustellen - bis jetzt.

Chuanhua Duan war ein Teil einer erfolgreichen Berkeley-Laborbemühung, nanochannels, die nur zwei nm an Größe maßen, unter Verwendung der StandardhalbleiterHerstellungsverfahren zu fabrizieren.

Forscher mit der US-Abteilung von (DOE) Nationalem Laboratorium des Lawrence Berkeley der Energie (Berkeley-Labor) sind in der Lage gewesen, nanochannels, die nur zwei nm (2-nm) an Größe sind unter Verwendung der StandardhalbleiterHerstellungsverfahren zu fabrizieren. Bereits haben sie diese nanochannels verwendet, um, dass Strömungsmechanik für Durchführungen dieses kleine nicht nur zu Masse-groß Kanälen beträchtlich unterschiedlich sind, aber sogar von den Kanälen zu entdecken, die bloß 10 nm an Größe sind.

„Wir waren in der Lage, Ionentransport in unseren 2 nm-nanochannels zu studieren, indem wir die Zeit maßen und Konzentrationsabhängigkeit der Ionenleitfähigkeit,“ sagt Arun Majumdar, Direktor der Fortgeschrittenen die Forschungsprojekt-Agentur der DAMHIRSCHKUH - Energie (ARPA-E), die diese Forschung während noch ein Wissenschaftler an Berkeley-Labor führte. „Wir beobachteten eine viel höhere Kinetik des Protons und der Ionenbeweglichkeit in unseren begrenzten hydratisierten Kanälen - bis zu einer vierfachen Zunahme über dem der größeren nanochannels (10-to-100 nm). Dieses erhöhter Protontransport konnte den hohen Durchsatz von Protonen in den Transmembranekanälen erklären.“

Majumdar ist der Mitverfasser mit Chuanhua Duan, ein Bauteil Majumdars der Forschungsgruppe am University of California (UC) Berkeley, eines Papiers auf dieser Arbeit, die in der Zapfen Natur Nanotechnlogy veröffentlicht wurde. Das Papier wird betitelt „Unregelmäßigen Ionentransport in 2 hydrophilen nanochannels nm.“

In ihrem Papier beschreiben Majumdar und Duan eine Technik, in der Hochpräzision Ionenradierung mit anodischer Masseverbindung kombiniert wird, um Kanäle einer spezifischen Größe zu fabrizieren und Geometrie auf einem Silikon-aufglas sterben. Um den Kanal am Einsturz unter den starken elektrostatischen Kräften des anodischen Masseverbindungsprozesses zu verhindern, wurde eine starke (500 nm) Oxidschicht auf die Glassubstratfläche abgegeben.

„Dieser Absetzungsschritt und der folgende Masseverbindungsschritt garantierten erfolgreicher Kanaldichtung, ohne einzustürzen,“ sagt Duan. „Wir mussten die rechte Temperatur, die Spannung und den Zeitraum auch beschließen, um perfekte Masseverbindung sicherzustellen. Ich vergleiche den Prozess mit dem Kochen eines Steaks, müssen Sie das rechte Gewürz sowie der richtige Zeitpunkt und die Temperatur wählen. Die Absetzung der Oxidschicht war das rechte Gewürz für uns.“

Die nm-groß Kanäle in den Transmembraneproteinen sind zur Steuerung des Flusses der Ionen kritisch und Moleküle über dem External und den Innenwänden einer biologischen Zelle, die der Reihe nach zu vielen der biologischen Prozesse kritisch sind, die die Zelle stützen. Wie ihre biologischen Kollegen konnten flüssige nanochannels kritische Rollen von Brennstoffzellen und von Batterien in der Zukunft spielen.

„Erhöhter Ionentransport verbessert die Energiedichte und praktische Energiedichte von Brennstoffzellen und von Batterien,“ sagt Duan. „Obgleich die theoretische Energiedichte in den Brennstoffzellen und in den Batterien durch die aktiven elektrochemischen Materialien bestimmt wird, ist die praktische Energiedichte immer wegen des Verlustes der inneren Energie und der Verwendung von inaktiv Bauteilen viel niedriger. Erhöhter Ionentransport könnte Innenwiderstand in den Brennstoffzellen und in den Batterien verringern, die würden den Verlust der inneren Energie verringern und erhöhen die praktische Energiedichte.“

Die Ergebnisse durch Duan und Majumdar zeigen an, dass Ionentransport in 2 hydrophilen nanostructures nm wegen ihrer geometrischen Beschränkungen und hohen Oberflächenladungsdichten beträchtlich erhöht werden könnte. Als Beispiel zitiert Duan den Abscheider, das Bauteil, das zwischen zwischen die Kathode und die Anode in den Batterien und die Brennstoffzellen gelegt wird, um Körperkontakt der Elektroden beim Aktivieren des freien Ionentransportes zu verhindern.

„Aktuelle Abscheider sind größtenteils die mikroporösen Schichten, die entweder aus einer Polymermembran bestehen, oder Vliesstoffmatte,“ sagt Duan. „Eine anorganische Membran, die mit einer Reihe von 2 hydrophilen nanochannels nm eingebettet wurde, konnte verwendet werden, um aktuelle Abscheider auszutauschen und praktische Leistungs- und Energiedichte zu verbessern.“

Die 2 nm-nanochannels halten auch Versprechen für biologische Anwendungen an, weil sie das Potenzial haben verwendet zu werden, um physiologische Lösungen direkt zu steuern und zu manipulieren. Aktuelle nanofluidic Einheiten verwenden Kanäle, die 10 to-100 sind nm an Größe, zum von Biomolekülen sich zu trennen und zu manipulieren. Wegen der Probleme mit elektrostatischen Interaktionen, können diese größeren Kanäle mit künstlichen Lösungen aber nicht mit natürlichen physiologischen Lösungen arbeiten.

„Für physiologische Lösungen mit typischen Ionenkonzentrationen von ungefähr 100 millimolars, ist die Debye-Screeninglänge 1 nm,“ sagt Duan. „Da elektrische Doppelschichten von den Zweikanaloberflächen in unseren 2 nm-nanochannels sich überlappen, können alle aktuellen biologischen Anwendungen, die in den größeren nanochannels gefunden werden, auf 2 nm-nanochannels für wirkliche physiologische Media übertragen werden.“

Der nächste Schritt für die Forscher ist, den Transport von Ionen und von Molekülen in den hydrophilen nanotubes zu studieren, die sogar kleiner als 2 nm sind. Der Ionentransport wird erwartet, um weiteres zu sein sogar erhöht durch die kleinere Geometrie und stärkere die Hydratationskraft.

„Ich entwickele eine anorganische Membran mit eingebetteter sub-2 nm hydrophiler nanotube Reihe, die verwendet wird, um Ionentransport in den wässrigen und organischen Elektrolyten zu studieren, 'Duan sage. „Er wird auch entwickelt als neuer Typ Abscheider für Lithium-Ionen-Batterien.“

Quelle: http://www.lbl.gov/

Last Update: 11. January 2012 16:13

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