Onderzoekers ontwikkelen Kunstmatige vloeibare nanokanalen van 2 nm Maat

Published on December 15, 2010 at 1:03 AM

Ze zeggen dat het de kleine dingen die tellen, en dat zeker geldt voor de kanalen in transmembraan eiwitten, die zijn klein genoeg om ionen of moleculen van een bepaalde omvang te passeren, terwijl uit grotere objecten.

Kunstmatige fluïdische nanokanalen die de mogelijkheden van transmembraan eiwitten na te bootsen zijn zeer gewaardeerd voor een aantal geavanceerde technologieën. Toch is het moeilijk om individuele kunstmatige kanalen van deze grootte te maken - tot nu toe.

Chuanhua Duan maakte deel uit van een succesvolle Berkeley Lab poging om nanokanalen fabriceren dat er slechts twee nanometer gemeten, met behulp van standaard fabricageprocessen.

Onderzoekers met het Amerikaanse Department of Energy (DOE) 's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) in staat zijn geweest nanokanalen dat zijn slechts twee nanometer (2-nm) in grootte, met behulp van standaard fabricageprocessen fabriceren. Al hebben ze gebruik gemaakt van deze nanokanalen om te ontdekken dat stromingsleer voor deze kleine passages zijn significant verschillend, niet alleen van bulk-en kleinbedrijf kanalen, maar zelfs van kanalen die niet meer zijn dan 10 nanometer groot.

"We waren in staat om ionen transport studeren in onze 2-nm nanokanalen door het meten van de tijd en de afhankelijkheid van de concentratie van de ionische geleiding", zegt Arun Majumdar, directeur van Advanced Research DOE Projects Agency - Energy (ARPA-E), die leiding gaf aan dit onderzoek terwijl nog steeds een wetenschapper in Berkeley Lab. "We zagen een veel hoger percentage van proton en ionische mobiliteit in onze beperkte gehydrateerd kanalen -. Tot een viervoudige stijging ten opzichte van die in grotere nanokanalen (10-tot-100 nm) Deze verbeterde proton transport kon de hoge doorvoer van protonen in transmembraan uit te leggen kanalen. "

Majumdar is de co-auteur met Chuanhua Duan, een lid van onderzoeksgroep Majumdar's groep aan de Universiteit van Californië (UC) Berkeley, van een paper over dit werk, dat werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnlogy. Het papier is getiteld "Afwijkende ionen transport in twee-nm hydrofiele nanokanalen."

In hun paper, Majumdar en Duan beschrijven een techniek waarbij een hoge precisie ion etsen wordt gecombineerd met anodische hechting op kanalen van een bepaalde grootte en geometrie fabriceren op een silicium-op-glas sterven. Om te voorkomen dat het kanaal van bezwijken onder de sterke elektrostatische krachten van de anodische hechting proces, was een dik (500 nm) oxide-laag afgezet op het glazen substraat.

"Deze afzetting stap en de volgende hechting gegarandeerd succesvolle kanaal afdichting stap zonder instorten", zegt Duan. "We hadden ook op de juiste temperatuur, voltage en tijd kiezen om een ​​perfecte hechting te garanderen. Ik het proces vergelijken met het koken een biefstuk, moet u de juiste kruiden en de juiste tijd en temperatuur te kiezen. De afzetting van de oxidelaag was de juiste kruiden voor ons. "

De nanometer-en kleinbedrijf kanalen in transmembraan eiwitten zijn essentieel voor het beheersen van de stroom van ionen en moleculen in de externe en interne wanden van een biologische cel, die op hun beurt, zijn van cruciaal belang om veel van de biologische processen die de cel te houden. Net als hun biologische tegenhangers, kan fluïde nanokanalen spelen belangrijke rollen in de toekomst van brandstofcellen en batterijen.

"Verbeterde ion transport verbetert de vermogensdichtheid en praktische energiedichtheid van brandstofcellen en batterijen," Duan zegt. "Hoewel de theoretische energiedichtheid in brandstofcellen en batterijen wordt bepaald door het actieve elektrochemische materialen, de praktische energiedichtheid is altijd veel lager als gevolg van interne energie verlies en het gebruik van niet-actieve componenten. Enhanced ionentransport kunnen interne weerstand te verminderen in brandstofcellen en batterijen, die de interne energiemarkt verlies zou verminderen en de praktische energiedichtheid. "

De bevindingen van Duan en Majumdar geven aan dat ionen transport aanzienlijk kunnen worden verbeterd in 2-nm hydrofiele nanostructuren vanwege hun geometrische bevallingen en de hoge oppervlakte-charge dichtheden. Als voorbeeld noemt Duan de separator, de component geplaatst tussen de tussen de kathode en de anode in batterijen en brandstofcellen aan lichamelijk contact van de elektroden te voorkomen, terwijl waardoor vrije geïoniseerde transport.

"De huidige afscheiders zijn meestal microporeuze lagen bestaande uit hetzij een polymeer membraan of niet-geweven stof mat," Duan zegt. "Een anorganische membraan ingebed met een array van twee-nm hydrofiele nanokanalen kunnen worden gebruikt om de huidige scheidingstekens vervangen en verbeteren van de praktische kracht en energie dichtheid."

Last Update: 29. October 2011 11:14

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