Исследователям из Национального института графена Манчестерского университета в Великобритании впервые удалось создать искусственные каналы размером всего в один атом. Новые капилляры, которые очень похожи на природные белковые каналы, такие как аквапорины, достаточно малы, чтобы блокировать поток мельчайших ионов, таких как Na + и Cl-, но позволяют воде свободно течь. Наряду с улучшением нашего фундаментального понимания молекулярного транспорта в атомном масштабе, особенно в биологических системах, структуры могут быть идеальными в технологиях опреснения и фильтрации.

«Очевидно, что невозможно сделать капилляры размером менее одного атома», — объясняет руководитель группы сэр Андре Гейм. «Наш подвиг казался почти невозможным, даже в ретроспективе, и было трудно представить такие крошечные капилляры всего пару лет назад».

Встречающиеся в природе белковые каналы, такие как аквапорины, позволяют воде быстро проникать через них, но блокируют гидратированные ионы размером более 7 А благодаря таким механизмам, как стерическое (размер) исключение и электростатическое отталкивание. Исследователи пытались создать искусственные капилляры, которые работали бы так же, как их естественные аналоги, но, несмотря на значительный прогресс в создании наноразмерных пор и нанотрубок, все такие структуры на сегодняшний день все еще были намного больше, чем биологические каналы.

Гейм и его коллеги в настоящее время изготовили каналы, которые имеют высоту всего около 3,4 А. Это примерно половина размера самых маленьких гидратированных ионов, таких как K + и Cl-, которые имеют диаметр 6,6 А. Эти каналы ведут себя так же, как белковые каналы, поскольку они достаточно малы, чтобы блокировать эти ионы, но достаточно велики, чтобы позволить молекулы воды (диаметром около 2,8 А) свободно протекают.

Структуры могут, что важно, помочь в разработке экономичных высокопоточных фильтров для опреснения воды и связанных с ними технологий — святой Грааль для исследователей в этой области.

Лего атомного масштаба

Публикуя свои результаты в «Науке», исследователи создавали свои конструкции с использованием техники сборки Ван-дер-Ваальса, также известной как «атомный масштаб Lego», которая была изобретена благодаря исследованиям графена. «Мы расщепляем атомно-плоские нанокристаллы толщиной всего 50 и 200 нанометров от объемного графита, а затем помещаем полоски монослойного графена на поверхность этих нанокристаллов», — объясняет доктор Радха Бойя, соавтор исследовательской работы. «Эти полосы служат в качестве разделителей между двумя кристаллами, когда аналогичный атомарно-плоский кристалл впоследствии помещается сверху. Полученный трехслойный узел можно рассматривать как пару краевых дислокаций, связанных с плоской пустотой между ними. Это пространство может вместить только один атомный слой воды. »

По ее словам, использование монослоев графена в качестве прокладок является первым, и именно это отличает новые каналы от любых предыдущих структур.

Манчестерские ученые разработали свои 2-D капилляры шириной 130 нм и длиной несколько микрон. Они собрали их на мембране из нитрида кремния, которая разделяла два изолированных контейнера, чтобы каналы были единственным путем, через который могли протекать вода и ионы.

До настоящего времени исследователи могли измерять только протекание воды через капилляры, которые имели более толстые прокладки (около 6,7 А). И хотя некоторые из их молекулярно-динамических симуляций показали, что меньшие двумерные полости должны разрушаться из-за притяжения Ван-дер-Ваальса между противоположными стенками, другие расчеты указывали на тот факт, что молекулы воды внутри щелей могут фактически выступать в качестве опоры и предотвращать даже одно. -Атомно-высокие прорези (всего 3,4 А высотой) от падения. Это действительно то, что команда Манчестера теперь нашла в своих экспериментах.

Измерение потока воды и ионов

«Мы измерили проникновение воды через наши каналы, используя метод, известный как гравиметрия», — говорит Радха. «Здесь мы позволяем воде в небольшом герметичном контейнере испаряться исключительно через капилляры, и затем мы точно измеряем (с точностью до микрограмма), какой вес теряет контейнер в течение нескольких часов».

Для этого исследователи говорят, что они построили большое количество каналов (более ста) параллельно, чтобы повысить чувствительность своих измерений. Они также использовали более толстые верхние кристаллы, чтобы предотвратить провисание, и обрезали верхнее отверстие капилляров (используя плазменное травление), чтобы удалить любые потенциальные закупорки тонкими краями, присутствующими здесь.

Чтобы измерить поток ионов, они заставляли ионы проходить через капилляры, прикладывая электрическое поле, а затем измеряли результирующие токи. «Если бы наши капилляры имели высоту в два атома, мы обнаружили, что маленькие ионы могут свободно перемещаться через них, точно так же, как это происходит в объемной воде», — говорит Радха. «Напротив, никакие ионы не могли пройти через наши в конечном итоге маленькие каналы с одним атомным максимумом.

«Исключением были протоны, которые, как известно, движутся в воде как настоящие субатомные частицы, а не ионы, одетые в относительно большие гидратные оболочки диаметром несколько ангстремов. Таким образом, наши каналы блокируют все гидратированные ионы, но пропускают протоны».

Поскольку эти капилляры ведут себя так же, как белковые каналы, они будут важны для лучшего понимания того, как вода и ионы ведут себя на молекулярном уровне — как в биологических фильтрах в ангстремном масштабе. «Наши работы (как настоящие, так и предыдущие) показывают, что атомно-ограниченная вода обладает свойствами, совершенно отличными от свойств воды в массе» , — объясняет Гейм. «Например, он становится сильно слоистым, имеет другую структуру и демонстрирует радикально отличающиеся диэлектрические свойства».