Dicen que son las pequeñas cosas las que cuentan y eso ciertamente es cierto para los canales en las proteínas transmembrana, que son lo suficientemente pequeños como para permitir el paso de iones o moléculas de cierto tamaño, manteniendo alejados los objetos más grandes. Los nanocanales de fluidos artificiales que imitan las capacidades de las proteínas transmembrana son muy apreciados para una serie de tecnologías avanzadas. Sin embargo, Ha sido difícil hacer canales artificiales individuales de este tamaño, hasta ahora.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han podido fabricar nanocanales de solo dos nanómetros (2 nm) de tamaño, utilizando procesos estándar de fabricación de semiconductores. Ya han utilizado estos nanocanales para descubrir que la mecánica de fluidos para pasajes tan pequeños es significativamente diferente no solo de los canales de gran tamaño, pero incluso de canales de tan solo 10 nanómetros de tamaño.

"Pudimos estudiar el transporte de iones en nuestros nanocanales de 2 nm midiendo la dependencia del tiempo y la concentración de la conductancia iónica, "dice Arun Majumdar, Director de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del DOE - Energía (ARPA-E), quien dirigió esta investigación cuando aún era científico en Berkeley Lab. "Observamos una tasa mucho más alta de movilidad iónica y de protones en nuestros canales hidratados confinados, hasta cuatro veces más que en nanocanales más grandes (10 a 100 nm). Este transporte de protones mejorado podría explicar el alto rendimiento de protones en la transmembrana. canales ".

Majumdar es coautor con Chuanhua Duan, miembro del grupo de investigación de Majumdar en la Universidad de California (UC) Berkeley, de un artículo sobre esta obra, que fue publicado en la revista Nanotecnología de la naturaleza . El artículo se titula "Transporte de iones anómalos en nanocanales hidrófilos de 2 nm".

En su papel Majumdar y Duan describen una técnica en la que el grabado iónico de alta precisión se combina con la unión anódica para fabricar canales de un tamaño y geometría específicos en una matriz de silicio sobre vidrio. Para evitar que el canal colapse bajo las fuertes fuerzas electrostáticas del proceso de unión anódica, Se depositó una capa de óxido gruesa (500 nm) sobre el sustrato de vidrio.

"Este paso de deposición y el siguiente paso de unión garantizaron un sellado exitoso del canal sin colapsar, ", dice Duan." También tuvimos que elegir la temperatura adecuada, voltaje y período de tiempo para asegurar una unión perfecta. Comparo el proceso con cocinar un bistec, debe elegir el condimento adecuado, así como el momento y la temperatura adecuados. La deposición de la capa de óxido fue el condimento adecuado para nosotros ".

Los canales de tamaño nanométrico en las proteínas transmembrana son fundamentales para controlar el flujo de iones y moléculas a través de las paredes externas e internas de una célula biológica. cuales, Sucesivamente, son fundamentales para muchos de los procesos biológicos que sustentan la célula. Como sus contrapartes biológicas, Los nanocanales fluídicos podrían desempeñar un papel fundamental en el futuro de las pilas de combustible y las baterías.

"El transporte de iones mejorado mejora la densidad de potencia y la densidad de energía práctica de las pilas de combustible y las baterías, ", Dice Duan." Aunque la densidad de energía teórica en las pilas de combustible y las baterías está determinada por los materiales electroquímicos activos, la densidad de energía práctica es siempre mucho menor debido a la pérdida de energía interna y al uso de componentes inactivos. El transporte de iones mejorado podría reducir la resistencia interna en pilas de combustible y baterías, lo que reduciría la pérdida de energía interna y aumentaría la densidad de energía práctica ".

Los hallazgos de Duan y Majumdar indican que el transporte de iones podría mejorarse significativamente en nanoestructuras hidrófilas de 2 nm debido a sus confinamientos geométricos y altas densidades de carga superficial. Como ejemplo, Duan cita el separador, el componente colocado entre el cátodo y el ánodo en baterías y celdas de combustible para evitar el contacto físico de los electrodos mientras permite el transporte iónico libre.

"Los separadores de corriente son en su mayoría capas microporosas que consisten en una membrana polimérica o una estera de tela no tejida, "Dice Duan." Una membrana inorgánica incrustada con una serie de nanocanales hidrófilos de 2 nm podría usarse para reemplazar los separadores de corriente y mejorar la potencia práctica y la densidad de energía ".

Los nanocanales de 2 nm también son prometedores para aplicaciones biológicas porque tienen el potencial de usarse para controlar y manipular directamente soluciones fisiológicas. Los dispositivos nanofluídicos actuales utilizan canales que tienen un tamaño de 10 a 100 nm para separar y manipular biomoléculas. Debido a problemas con las interacciones electrostáticas, estos canales más grandes pueden funcionar con soluciones artificiales pero no con soluciones fisiológicas naturales.

"Para soluciones fisiológicas con concentraciones iónicas típicas de aproximadamente 100 milimolares, la longitud de tramado de Debye es de 1 nm, ", dice Duan." Dado que las capas dobles eléctricas de las superficies de dos canales se superponen en nuestros nanocanales de 2 nm, todas las aplicaciones biológicas actuales que se encuentran en nanocanales más grandes se pueden transferir a nanocanales de 2 nm para medios fisiológicos reales ".

El siguiente paso para los investigadores será estudiar el transporte de iones y moléculas en nanotubos hidrófilos que son incluso más pequeños que 2 nm. Se espera que el transporte de iones se mejore aún más gracias a la geometría más pequeña y la fuerza de hidratación más fuerte.

"Estoy desarrollando una membrana inorgánica con una matriz de nanotubos hidrófilos sub-2 nm incrustada que se utilizará para estudiar el transporte de iones en electrolitos acuosos y orgánicos, Dice Duan. "También se desarrollará como un nuevo tipo de separador para baterías de iones de litio".