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Os Pesquisadores Desenvolvem Nanochannels Fluidic Artificial do Tamanho de 2 nanômetro

Published on December 15, 2010 at 1:03 AM

Dizem é as coisas pequenas que contam, e que guardara certamente verdadeiro para os canais nas proteínas da transmembrana, que são pequenas bastante permitir que os íons ou as moléculas de um determinado tamanho passem completamente, ao manter para fora objetos maiores.

Os nanochannels fluidic Artificiais que imitam as capacidades de proteínas da transmembrana são altamente premiado para um número de tecnologias avançadas. Contudo, foi difícil fazer os canais artificiais individuais deste tamanho - até aqui.

Chuanhua Duan era parte de um esforço bem sucedido do Laboratório de Berkeley para fabricar os nanochannels que mediram somente dois nanômetros em tamanho, usando processos de manufactura padrão do semicondutor.

Os Pesquisadores com o Ministério de E.U. (DOE) do Laboratório Nacional do Lawrence Berkeley da Energia (Laboratório de Berkeley) puderam fabricar os nanochannels que são somente dois nanômetros (2-nm) em tamanho, usando processos de manufactura padrão do semicondutor. Têm usado Já estes nanochannels para descobrir que os mecânicos fluidos para passagens este pequeno são significativamente diferentes não somente dos canais volume-feitos sob medida, mas mesmo dos canais que são meramente 10 nanômetros em tamanho.

“Nós podíamos estudar o transporte de íon em nossos 2 nanochannels do nanômetro medindo o tempo e dependência da concentração da condutibilidade iónica,” diz Arun Majumdar, Director da Agência Avançada dos Projectos de Investigação da GAMA - a Energia (ARPA-E), que conduziu esta pesquisa quando ainda um cientista no Laboratório de Berkeley. “Nós observamos uma taxa muito mais alta de protão e de mobilidade iónica em nossos canais hidratados limitados - até quatro vezes mais um aumento sobre aquele nos nanochannels maiores (10-to-100 nanômetro). Isto transporte aumentado do protão podia explicar a produção alta dos protão nos canais da transmembrana.”

Majumdar é o co-autor com Chuanhua Duan, um membro do grupo de investigação de Majumdar na Universidade Da California (UC) Berkeley, de um papel neste trabalho, que foi publicado na Natureza Nanotechnlogy do jornal. O papel é intitulado “transporte de íon Anômalo em 2 nanochannels hidrófilos do nanômetro.”

Em seu papel, Majumdar e Duan descrevem uma técnica em que gravura a água-forte de íon da elevada precisão é combinada com a ligação anódica para fabricar os canais de um tamanho específico e a geometria em um silicone-em-vidro morre. Para impedir que o canal desmorone sob as forças electrostáticas fortes do processo anódico da ligação, (500 nanômetro) uma camada grossa do óxido foi depositada na carcaça de vidro.

“Esta etapa do depósito e a seguinte etapa da ligação garantiram a selagem bem sucedida do canal sem desmoronar,” diz Duan. “Nós igualmente tivemos que escolher a temperatura, a tensão e o período de tempo direitos assegurar a ligação perfeita. Eu comparo o processo a cozinhar um bife, você precisa de escolher o tempero direito assim como o momento adequado e a temperatura. O depósito da camada do óxido era o tempero direito para nós.”

Os canais nanômetro-feitos sob medida em proteínas da transmembrana são críticos a controlar o fluxo dos íons e moléculas através das paredes externos e internas de uma pilha biológica, que, por sua vez, são críticas a muitos dos processos biológicos que sustentam a pilha. Como suas contrapartes biológicas, os nanochannels fluidic podiam jogar papéis críticos no futuro de células combustíveis e de baterias.

“O transporte de íon Aumentado melhora a densidade de potência e densidade de energia prática de células combustíveis e de baterias,” Duan diz. “Embora a densidade de energia teórica em células combustíveis e em baterias é determinada pelos materiais eletroquímicos activos, a densidade de energia prática é sempre muito mais baixa devido à perda de energia interna e ao uso de componentes inactivos. O transporte de íon Aumentado poderia reduzir a resistência interna nas células combustíveis e nas baterias, que reduziriam a perda de energia interna e aumentariam a densidade de energia prática.”

Os resultados por Duan e por Majumdar indicam que o transporte de íon poderia significativamente ser aumentado em 2 nanostructures hidrófilos do nanômetro devido a seus confinamentos geométricos e densidades altas da superfície-carga. Como um exemplo, Duan menciona o separador, o componente colocado entre no meio o cátodo e o ânodo nas baterias e nas células combustíveis para impedir o contacto físico dos eléctrodos ao permitir o transporte iónico livre.

“Os separadores Actuais são na maior parte camadas microporous que consistem ou em uma membrana polimérico ou esteira não tecida da tela,” Duan diz. “Uma membrana inorgánica encaixada com uma disposição de 2 nanochannels hidrófilos do nanômetro podia ser usada para substituir separadores actuais e para melhorar a densidade prática da potência e de energia.”

Os 2 nanochannels do nanômetro igualmente mantêm a promessa para aplicações biológicas porque têm o potencial ser usado para controlar e manipular directamente soluções fisiológicos. Os dispositivos nanofluidic Actuais utilizam os canais que são 10 to-100 nanômetro em tamanho para separar e manipular biomoléculas. Devido aos problemas com interacções electrostáticas, estes canais maiores podem funcionar com soluções artificiais mas não com soluções fisiológicos naturais.

“Para soluções fisiológicos com concentrações iónicas típicas de aproximadamente 100 millimolars, o comprimento de selecção de Debye é 1 nanômetro,” diz Duan. “Desde Que as duplas camada elétricas das superfícies de dois canais sobrepor em nossos 2 nanochannels do nanômetro, todas as aplicações biológicas actuais encontradas em nanochannels maiores podem ser transferidas a 2 nanochannels do nanômetro para media fisiológicos reais.”

O passo seguinte para os pesquisadores será estudar o transporte dos íons e das moléculas nos nanotubes hidrófilos que são mesmo menores de 2 nanômetro. O transporte de Íon é esperado ser mesmo mais adicional aumentado pela geometria menor e pela força mais forte da hidratação.

“Eu estou desenvolvendo uma membrana inorgánica com disposição hidrófila encaixada do nanotube de sub-2 nanômetro que será usada para estudar o transporte de íon em eletrólitos aquosos e orgânicos, 'Duan digo. “Será desenvolvido igualmente como um novo tipo de separador para baterias do lítio-íon.”

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

Last Update: 11. January 2012 15:15

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