Velik spekter obnašanja za majhne pore grafenov: tako kot biološki kanali, so grafenske pore selektivne za določene vrste ionov | 2020

Vsebina:

Anonim

Zdaj so raziskovalci na MIT ustvarili drobne pore na posameznih listih grafena, ki imajo vrsto preferenc in lastnosti, podobne tistim ionskih kanalov v živih celicah.

Vsaka grafenska pore je široka manj kot 2 nanometra, zaradi česar so med najmanjšimi porami, skozi katere so znanstveniki kdajkoli preučevali ionski tok. Vsak od njih je tudi edinstveno selektiven in raje prenaša določene ione nad druge skozi plast grafena.

"Vidimo, da obstaja veliko raznolikosti transportnih lastnosti teh por, kar pomeni, da je veliko možnosti, da se te pore prilagodijo različnim uporabam ali selektivnosti," pravi Rohit Karnik, izredni profesor za strojništvo na MIT.

Karnik pravi, da bi lahko bile nanopore grafena uporabne kot senzorji, na primer pri detekciji ionov živega srebra, kalija ali fluorida v raztopini. Takšne ionsko selektivne membrane so lahko koristne tudi v rudarstvu: v prihodnosti bo mogoče narediti nanodelce grafena, ki bodo sposobne izločati sledove zlata iz drugih kovinskih ionov, kot sta srebro in aluminij.

Karnik in nekdanji podiplomski študent Tarun Jain ter Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier in Sean O'Hern iz MIT in Juan-Carlos Idrobo iz nacionalnega laboratorija Oak Ridge objavljajo svoje rezultate v reviji Naravna nanotehnologija .

Dinamična osebnost

V živih celicah lahko nastane raznolikost ionskih kanalov zaradi velikosti in natančne atomske razporeditve kanalov, ki so nekoliko manjši od ionov, ki tečejo skozi njih.

"Ko postanejo nanopore manjše od hidratizirane velikosti ionov, potem začnete videti zanimivo vedenje," pravi Jain.

Zlasti hidrirani ioni ali raztopljeni ioni so obdani z lupino vodnih molekul, ki se držijo ionov, odvisno od električnega naboja. Ali se lahko hidrirani ion potisne skozi dani ionski kanal, je odvisno od velikosti in konfiguracije tega kanala na atomski skali.

Karnik je menil, da bi bil grafen primeren material za ustvarjanje umetnih ionskih kanalov: list grafena je ultratanka mreža ogljikovih atomov, ki je debel en atom, zato so pore v grafenu določene na atomski skali.

Da bi ustvarili pore v grafenu, je skupina uporabila kemično nanašanje s paro, proces, ki se običajno uporablja za proizvodnjo tankih filmov. V grafenu je proces naravno ustvaril drobne napake. Raziskovalci so uporabili postopek za ustvarjanje nanometrskih por v različnih listih grafena, ki so bili podobni ultratankim švicarskim sirom.

Raziskovalci so nato izolirali posamezne pore tako, da so vsak grafenski list položili na plast silicijevega nitrida, ki jo je preluknjal ionski žarek, katerega premer je nekoliko manjši od razmika med porami grafena. Skupina je menila, da bi vsi ioni, ki tečejo skozi dvoslojne nastavitve, najverjetneje najprej potekali skozi eno samo grafensko pore, nato pa skozi večjo luknjo iz silicijevega nitrida.

Skupina je merila pretok petih različnih ionov soli skozi več postavitev grafenskega lista z uporabo napetosti in merjenjem toka, ki teče skozi pore. Meritve tokovne napetosti so se zelo razlikovale od por do por in od ionov do ionov, pri čemer so nekatere pore ostale stabilne, medtem ko so se druge prenašale naprej in nazaj po prevodnosti - kar kaže na to, da so bile pore v različnih preferencah različne, zaradi česar so določeni ioni prepuščeni.

"Slika, ki se pojavi, je, da je vsaka pore drugačna in da so pore dinamične," pravi Karnik. "Vsaka por začne razvijati svojo osebnost."

Nova meja

Karnik in Jain sta nato razvila model za interpretacijo meritev in ga uporabila za prevajanje meritev eksperimenta v ocene velikosti por. Na podlagi modela so ugotovili, da je premer mnogih por pod 1 nanometrom, zaradi česar so glede na debelino grafenov z enim atomom med najmanjšimi porami, skozi katere so znanstveniki proučevali ionski tok.

Skupina je z modelom izračunala učinek različnih dejavnikov na obnašanje por in ugotovila, da je opazovano vedenje por zajeto s tremi glavnimi značilnostmi: velikostjo por, električnim nabojem in položajem tega nabojnika vzdolž dolžine por.

Poznavanje tega lahko raziskovalci nekega dne lahko prilagodijo pore na nanoskali, da bi ustvarili ionsko specifične membrane za aplikacije, kot so zaznavanje okolja in rudarstvo kovin v sledovih.

"To je nekakšna nova meja med membranskimi tehnologijami in razumevanje prevoza skozi te res majhne pore v ultratankih materialih," pravi Karnik.