Les Chercheurs Développent Nanochannels Hydraulique Artificiel de Taille de 2 nanomètre

Published on December 15, 2010 at 1:03 AM

Ils disent que c'est les petites choses qui comptent, et qui juge certainement vrai pour les tunnels en protéines de transmembrane, qui sont assez petites pour permettre à des ions ou à des molécules d'une certaine taille de réussir, tout en empêchant d'entrer de plus grands objectifs.

Les nanochannels hydrauliques Artificiels qui imitent les capacités des protéines de transmembrane sont hautement prisés pour un certain nombre de technologies avancées. Cependant, il a été difficile d'effectuer différents tunnels artificiels de cette taille - jusqu'ici.

Chuanhua Duan faisait partie d'un effort réussi de Laboratoire de Berkeley pour fabriquer les nanochannels qui ont mesuré seulement deux nanomètres dans la taille, utilisant des processus de fabrication normaux de semi-conducteur.

Les Chercheurs avec le Ministère De L'énergie des États-Unis (DOE) le Laboratoire National de Lawrence Berkeley (Laboratoire de Berkeley) ont pu fabriquer les nanochannels qui sont seulement deux nanomètres (2-nm) dans la taille, utilisant des processus de fabrication normaux de semi-conducteur. Ils ont déjà employé ces nanochannels pour découvrir que les caractéristiques aérodynamiques pour des canalisations ce petit sont sensiblement différentes non seulement des tunnels de taille d'un volume, mais même des tunnels qui sont simplement 10 nanomètres dans la taille.

« Nous pouvions étudier le transport d'ion dans nos 2 nanochannels de nanomètre en mesurant le temps et la dépendance de concentration de la conductibilité ionique, » dit Arun Majumdar, Directeur de l'Advanced Research Projects Agency de la DAINE - l'Énergie (ARPA-E), qui a abouti cette recherche tandis que toujours un scientifique au Laboratoire de Berkeley. « Nous avons observé beaucoup de niveau supérieur de proton et de mobilité ionique dans des nos tunnels hydratés logés - jusqu'à une augmentation quadruple au-dessus de cela de plus grands nanochannels (10-to-100 nanomètre). Ce transport amélioré de proton a pu expliquer le débit élevé des protons dans des tunnels de transmembrane. »

Majumdar est le co-auteur avec Chuanhua Duan, un membre de l'organisme de recherche de Majumdar à l'Université de Californie (UC) Berkeley, d'un papier sur ce travail, qui a été publié dans la Nature Nanotechnlogy de tourillon. Le papier est intitulé « transport d'ion Anormal dans 2 nanochannels hydrophiles de nanomètre. »

En leur papier, Majumdar et Duan décrivent une technique dans laquelle gravure d'ion à haute précision est combinée avec la métallisation anodique pour fabriquer des tunnels d'une taille particulière et la géométrie sur une silicium-sur-glace meurent. Pour empêcher le tunnel de s'effondrer sous les forces électrostatiques intenses du procédé anodique de métallisation, (500 nanomètre) une couche épaisse d'oxyde a été déposée sur le substrat en verre.

« Cette phase de dépôt et la phase suivante de métallisation ont garanti la chasse aux phoques réussie de tunnel sans s'effondrer, » dit Duan. « Nous avons dû également choisir la bonne période de la température, de tension et de temps pour assurer la métallisation parfaite. Je compare le procédé à faire cuire un bifteck, vous devez choisir le bon assaisonnement ainsi que le bon moment et la température. Le dépôt de la couche d'oxyde était le bon assaisonnement pour nous. »

Les tunnels de taille d'un nanomètre en protéines de transmembrane sont critiques à régler le flux des ions et des molécules en travers des parois externes et internes d'une cellule biologique, qui, à leur tour, sont critiques à plusieurs des procédés biologiques qui supportent la cellule. Comme leurs homologues biologiques, les nanochannels hydrauliques ont pu jouer des rôles critiques à l'avenir des cellules et des batteries à combustible.

« Le transport d'ion Amélioré améliore la densité d'alimentation électrique et densité d'énergie pratique des cellules et des batteries à combustible, » Duan dit. « Bien Que la densité d'énergie théorique dans des cellules et des batteries à combustible est déterminée par les matériaux électrochimiques actifs, la densité d'énergie pratique est toujours beaucoup inférieure à cause de la déperdition d'énergie interne et de l'usage des composants inactifs. Le transport d'ion Amélioré pourrait réduire la résistance interne dans les cellules et des batteries à combustible, qui réduiraient la déperdition d'énergie interne et augmenteraient la densité d'énergie pratique. »

Les découvertes par Duan et Majumdar indiquent que le transport d'ion pourrait être sensiblement amélioré dans 2 nanostructures hydrophiles de nanomètre à cause de leurs confinements géométriques et densités élevées de surface-charge. Comme exemple, Duan cite le séparateur, le composant mis entre entre la cathode et l'anode en batteries et cellules à combustible pour éviter le contact matériel des électrodes tout en activant le transport ionique libre.

« Les séparateurs Actuels sont en grande partie des couches microporeuses se composant ou d'une membrane polymère ou couvre-tapis de textile non tissé, » Duan dit. « Une membrane minérale incluse avec un choix de 2 nanochannels hydrophiles de nanomètre a pu être utilisée pour remonter les séparateurs actuels et pour améliorer la densité pratique d'alimentation électrique et d'énergie. »

Les 2 nanochannels de nanomètre retiennent également la promesse pour des applications biologiques parce qu'ils ont le potentiel d'être utilisé directement pour régler et manipuler les solutions physiologiques. Les dispositifs nanofluidic Actuels emploient les tunnels qui sont 10 to-100 nanomètre dans la taille pour séparer et manipuler des biomolécules. À cause des problèmes avec des interactions électrostatiques, ces plus grands tunnels peuvent fonctionner avec les solutions artificielles mais pas avec les solutions physiologiques naturelles.

« Pour les solutions physiologiques avec des concentrations ioniques particulières d'approximativement 100 millimolars, la longueur d'examen critique de Debye est de 1 nanomètre, » dit Duan. « Puisque les doubles layers électriques des surfaces à deux voies superposent dans nos 2 nanochannels de nanomètre, toutes les applications biologiques actuelles trouvées dans de plus grands nanochannels peuvent être transférées à 2 nanochannels de nanomètre pour des medias physiologiques réels. »

La prochaine phase pour les chercheurs sera d'étudier le transport des ions et des molécules dans les nanotubes hydrophiles qui sont encore plus petits que 2 nanomètre. On s'attend à ce que le transport d'Ion soit encore davantage d'amélioré par la géométrie plus petite et la force plus intense d'hydratation.

« Je développe une membrane minérale avec l'alignement hydrophile inclus de nanotube de sub-2 nanomètre qui sera employé pour étudier le transport d'ion en électrolytes aqueux et organiques, 'Duan dit. « Il sera également développé comme type neuf de séparateur pour des batteries lithium-ion. »

Source : http://www.lbl.gov/

Last Update: 11. January 2012 16:11

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