 Поверхность одной клетки содержит сотни мелких пор, или ионных каналов, каждый из которых представляет собой портал для конкретных ионов. Ионные каналы, как правило имеют ширину около 1 нанометра; путем поддержания правильного баланса ионов, они держат клетки в здоровом и стабильном состоянии.
Исследователи из Массачусетского технологического института создали крошечные поры в виде отдельных листов графена, которые имеют множество преференций и характеристик, аналогичных ионным каналам в живых клетках.
Каждая графеновая пора имеет менее 2 нанометров в ширину, что делает их одними из самых мельчайших пор, которые ученые когда-либо изучали в потоке ионов. Каждая из них также является уникально селективной, предпочитая транспортировать определенные ионы над другими через графеновый слой.
Графеновые нанопоры могут быть полезны в качестве датчиков - например, для обнаружения ионов ртути, калия или фторида в растворе. Такие ион-селективные мембраны могут быть также полезны в горнодобывающей промышленности. В будущем может появиться возможность заставить графеновые нанопоры отсеивать следовые количества ионов золота из других ионов металлов, таких как серебро и алюминий.
В живых клетках, разнообразие ионных каналов может возникать из размера и точного расположения атомов в каналов, которые немного меньше, чем ионы, проходящие через них. Когда нанопоры становятся меньше, чем размер гидратированного иона, то в них начинает наблюдаться интересное поведение.
В частности, гидратированные ионы окружены оболочкой из молекул воды, которые прилегают к иону в зависимости от его электрического заряда. То, как гидратированный ион может проходит через тот или иной ионный канал, зависит от размера этого канала и конфигурации на атомном уровне.
Исследователи рассудили, что графен будет подходящим материалом, в котором будут создаваться искусственные ионные каналы. Лист графена представляет собой ультратонкую решетку атомов углерода толщиной в один атом, в которой поры в графене определяются на атомном масштабе.
Чтобы создать поры в графене, группа использовала химическое осаждение из паровой фазы - процесс, использующийся для производства тонких пленок. В графене процесс, естественно, создает крошечные дефекты. Исследователи использовали процесс для создания наноразмерных пор в различных листах графена, которые имели сходство с ультратонким «швейцарским сыром».
Затем исследователи выделили отдельные поры, помещая каждый лист графена над слоем нитрида кремния, который был проколот ионным пучком с диаметром немного меньше, чем расстояние между графеновыми порами. Ученые полагали, что любые ионы, проходящие через двухслойную настройку, скорее всего сначала бы прошли через одну графеновую пору, а затем через большее отверстие нитрида кремния.
Исследователи измерили потоки пяти различных ионов соли через несколько графеновых установок путем применения напряжения и измерения тока, протекающего через поры. Измерения широко варьировались от поры до поры, и от иона к иону, причем некоторые поры оставались стабильными, в то время как другие изменялись назад и вперед в проводимости – что было признаком того, что поры были разнообразны в своих предпочтениях для разрешения прохода определенных ионов.
Вырисовывается такая картина, в которой каждая пора отличается, и в которой поры являются динамическими. Каждая пора начинает развивать свою собственную «индивидуальность».
Ученые разработали модель для интерпретации измерений, и использовали ее, чтобы перевести измерения эксперимента в приближенные оценки размеров пор. На основе модели они обнаружили, что многие поры имели диаметр ниже 1 нанометра, что (с учетом толщины одного атома графена) делает их одними из самых маленьких пор, через которые ученые исследовали поток ионов.
С полученной моделью, группа рассчитала влияние различных факторов на поведение пор, и обнаружила, что наблюдаемое поведение пор был захвачено тремя основными характеристиками: размерами поры, ее электрического заряда, и положения этого заряда вдоль длины поры.
На основе полученный знаний исследователи в будущем планируют адаптировать поры на наноуровне, чтобы создать специфичные для ионов мембраны для таких приложений, как зондирование окружающей среды и отслеживание добычи металлов.
|
