Ricercatori sviluppano artificiale nanocanali fluidico di 2 Dimensione nm

Published on December 15, 2010 at 1:03 AM

Dicono che sono le piccole cose che contano, e che contiene certamente vero per i canali di proteine ​​transmembrana, che sono abbastanza piccoli da permettere ioni o molecole di una certa dimensione di passare attraverso, pur mantenendo i più grandi oggetti.

Artificiale nanocanali fluidico che imitano le capacità delle proteine ​​transmembrana sono molto apprezzati per una serie di tecnologie avanzate. Tuttavia, è stato difficile fare i singoli canali artificiali di queste dimensioni - fino ad ora.

Chuanhua Duan era parte di un riuscito tentativo di Berkeley Lab per fabbricare nanocanali quello misurato solo due nanometri, utilizzando le normali processi di produzione dei semiconduttori.

I ricercatori del US Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) sono stati in grado di fabbricare nanocanali che sono solo due nanometri (2-nm) in dimensioni, utilizzando le normali processi di produzione dei semiconduttori. Già hanno utilizzato questi nanocanali per scoprire che la meccanica dei fluidi per passaggi questo piccolo sono significativamente diversi, non solo in grani di dimensioni canali, ma anche da canali che sono solo 10 nanometri di dimensione.

"Siamo stati in grado di studiare il trasporto di ioni nelle nostre 2-nm nanocanali misurando il tempo e la dipendenza dalla concentrazione della conduttanza ionica", spiega Arun Majumdar, direttore dell'Advanced Research del DOE Progetti - Energia (ARPA-E), che ha condotto questa ricerca mentre ancora uno scienziato a Berkeley Lab. "Abbiamo osservato un tasso molto più elevato di protone e mobilità ionica nei nostri canali confinati idratata. - Fino ad un aumento di quattro volte più che in grandi nanocanali (10-a-100 nm) Il trasporto di protoni maggiore potrebbe spiegare l'elevato throughput di protoni in transmembrana i canali. "

Majumdar è il co-autore con Chuanhua Duan, un membro del gruppo di ricerca Majumdar presso la University of California (UC) Berkeley, di un documento su questo lavoro, che è stato pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnlogy. Il documento è intitolato "trasporto di ioni anomali in 2-nm nanocanali idrofile".

Nel loro documento, Majumdar e Duan descrivere una tecnica in cui si combina ad alta precisione ion etching con saldatura anodica per fabbricare i canali di una dimensione specifica e la geometria su un silicio su vetro morire. Per evitare che il canale di collassare sotto il forte forze elettrostatiche del processo di saldatura anodica, una spessa (500 nm) strato di ossido è stato depositato sul substrato di vetro.

"Questo passo di deposizione e il legame seguente passo di tenuta garantito il successo dei canali senza crollare", dice Duan. "Abbiamo anche dovuto scegliere la giusta temperatura, tensione e periodo di tempo per assicurare una perfetta adesione. Io paragono il processo alla cucina una bistecca, è necessario scegliere il giusto condimento così come il momento giusto e la temperatura. La deposizione dello strato di ossido è stato il condimento giusto per noi ".

Le dimensioni nanometriche canali di proteine ​​transmembrana sono fondamentali per controllare il flusso di ioni e molecole attraverso le pareti esterne ed interne di una cellula biologica, che a loro volta, sono fondamentali per molti dei processi biologici che sostengono la cella. Come le loro controparti biologiche, nanocanali fluidico potrebbe giocare un ruolo critico per il futuro delle celle a combustibile e batterie.

"Enhanced trasporto di ioni migliora la densità di potenza e la densità di energia pratica delle celle a combustibile e batterie", dice Duan. "Anche se la densità di energia teorica in celle a combustibile e batterie è determinato dai materiali attivi elettrochimici, la densità di energia pratico è sempre molto inferiore a causa della perdita di energia interna e l'utilizzo di componenti inattivi. Trasporto di ioni avanzata potrebbe ridurre la resistenza interna in celle a combustibile e batterie, che ridurrebbe la perdita di energia interna e aumentare la densità di energia pratico ".

I risultati da Duan e Majumdar indicano che il trasporto di ioni potrebbero essere notevolmente aumentate in 2-nm nanostrutture idrofilo a causa della loro confini geometrici e ad alta densità di carica superficiale. Come esempio, cita il separatore Duan, il componente posto tra il tra il catodo e l'anodo nelle batterie e celle a combustibile per evitare il contatto fisico degli elettrodi pur consentendo liberi trasporto ionico.

"Separatori attuali sono per lo più costituita da strati microporosi sia una membrana polimerica o tessuto non tessuto tappeto", dice Duan. "Una membrana inorganica integrato con una serie di 2-nm nanocanali idrofilo potrebbero essere utilizzati per sostituire i separatori di corrente e migliorare potere pratico e densità di energia."

Il 2-nm nanocanali anche promettenti per le applicazioni biologiche, perché hanno il potenziale per essere utilizzato per controllare e manipolare direttamente le soluzioni fisiologiche. Attuali dispositivi nanofluidic utilizzano canali che sono 10-a-100 nm per separare e manipolare biomolecole. A causa di problemi con interazioni elettrostatiche, questi canali più grandi possono funzionare con soluzioni artificiale ma non con soluzioni fisiologiche naturali.

"Per le soluzioni fisiologiche con la tipica concentrazione ionica di circa 100 millimolars, la lunghezza di screening di Debye è di 1 nm", dice Duan. "Da elettrici doppio strato da due canali superfici si sovrappongono nel nostro 2-nm nanocanali, tutte le attuali applicazioni biologiche trovate in grandi nanocanali possono essere trasferiti a 2-nm nanocanali per davvero i media fisiologica".

Il passo successivo per i ricercatori sarà quello di studiare il trasporto di ioni e molecole in nanotubi idrofile che sono ancora più piccolo di 2-nm. Agli ioni di trasporto dovrebbe essere ulteriormente rafforzata dalla geometria più piccola e la forza più forte idratazione.

"Sto sviluppando una membrana inorganica con incorporato sub-2 matrice di nanotubi nm idrofilo che verrà utilizzato per studiare il trasporto di ioni in entrambi elettroliti acquosi e organici, 'dice Duan." Sarà anche sviluppato un nuovo tipo di separatore di litio batterie agli ioni ".

Fonte: http://www.lbl.gov/

Last Update: 5. October 2011 19:50

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