Ученые из SANKEN (Институт научных и промышленных исследований) Университета Осаки измерили тепловые эффекты ионного потока через нанопору с помощью термопары. Они обнаружили, что в большинстве случаев и ток, и мощность нагрева зависят от приложенного напряжения, как и предсказывает закон Ома. Эта работа может привести к созданию более совершенных наноразмерных датчиков.
Нанопоры, которые представляют собой крошечные отверстия в мембране, настолько маленькие, что через них может пройти только одна нить ДНК или вирусная частица , представляют собой захватывающую новую платформу для создания сенсоров. Часто между двумя сторонами мембраны подается электрическое напряжение, чтобы протолкнуть анализируемое вещество через нанопору. В то же время заряженные ионы в растворе могут переноситься, но их влияние на температуру изучено недостаточно. Прямое измерение тепловых эффектов, вызванных этими ионами, может помочь сделать нанопоры более практичными в качестве сенсоров.
Теперь группа исследователей из Университета Осаки создала термопару из золотых и платиновых нанопроволок с размером точки контакта всего 100 нм, которая служила термометром. С его помощью измеряли температуру непосредственно рядом с нанопорой, вырезанной из пленки толщиной 40 нм, подвешенной на кремниевой пластине.
Джоулев нагрев происходит, когда электрическая энергия преобразуется в тепло за счет сопротивления в проводе. Этот эффект возникает в тостерах и электрических плитах, и его можно рассматривать как неупругое рассеяние электронами, когда они сталкиваются с ядрами проволоки. В случае нанопор ученые обнаружили, что тепловая энергия рассеивается пропорционально импульсу ионного потока, что соответствует предсказаниям закона Ома. При изучении нанопор размером 300 нм исследователи зафиксировали ионный ток фосфатно-солевого буфера в зависимости от приложенного напряжения. «Мы продемонстрировали почти омическое поведение в широком диапазоне экспериментальных условий», — говорит первый автор Макусу Цуцуи.
С меньшими нанопорами эффект нагрева становился более выраженным, потому что меньше жидкости с более холодной стороны могло пройти через них для выравнивания температуры. В результате нагрев может вызвать существенный эффект, поскольку нанопоры испытывают повышение температуры на несколько градусов при стандартных условиях эксплуатации. «Мы ожидаем разработки новых сенсоров с нанопорами, которые смогут не только идентифицировать вирусы, но и одновременно деактивировать их», — говорит старший автор Томодзи Каваи. Исследователи предложили другие ситуации, в которых нагрев может быть полезен, например, для предотвращения закупорки нанопор полимером или для разделения секвенируемых нитей ДНК.
Статья «Ионное рассеивание тепла в порах твердого тела» опубликована в журнале Science Advances.
