Un diagrama de una de las configuraciones experimentales del grupo muestra una placa de cobre que se puede calentar con un soplete debajo de ella, estudiar el efecto de la temperatura en el proceso. Encima del plato, un aparato que consta de dos depósitos separados por una estructura de silicio que tiene un solo nanotubo de carbono encima. Cuando se conecta una fuente de alimentación a los electrodos (los cables que se extienden desde el dispositivo), moléculas cargadas (iones) de uno de los depósitos pueden pasar a través del tubo, y su progreso se puede controlar utilizando un microscopio electrónico de barrido. Crédito:Choi et al.
Como un guisante atravesando una pajita, pequeñas moléculas pueden pasar a través de cilindros microscópicos conocidos como nanotubos. Esto podría potencialmente usarse para seleccionar moléculas según el tamaño, por ejemplo, para purificar el agua permitiendo que las moléculas de agua pasen mientras bloquean la sal u otras sustancias.
Ahora, investigadores del MIT, La Universidad de Seúl en Corea y el Ursinus College en Pensilvania han descubierto que estos tubos son más selectivos de lo que se pensaba:las moléculas de un tamaño preciso pueden pasar cinco veces más rápido que las que son un poco más pequeñas o más grandes. Los nuevos hallazgos se publican en la revista Comunicaciones de la naturaleza por el profesor del MIT Michael Strano, estudiantes de posgrado Wonjoon Choi y Zachary Ulissi, y otros tres.
Esta dependencia del tamaño en el transporte de nanotubos fue completamente inesperada, dice Strano, profesor de ingeniería química en el MIT. "Este trabajo ilustra cómo el transporte en poros de este tipo sigue siendo exótico y relativamente inexplorado, " él dice.
El equipo "analizó el transporte de iones a través de los nanoporos individuales más pequeños que se han estudiado, "Dice Strano. Los nanotubos de carbono que estudiaron tenían anchos que iban de 0,9 a 2 nanómetros, aproximadamente el diámetro de una hélice de ADN, y tenían aproximadamente 1 milímetro de largo.
"Lo que encontramos no fue predicho por la teoría, "él dice:Hasta cierto diámetro, el flujo de iones a través de un nanotubo aumentó de manera constante, pero luego, más allá de ese diámetro, el flujo disminuyó. "La dependencia es una parcela en forma de volcán, "Dice Strano.
El flujo máximo en el centro de esa trama, permite un transporte cinco veces mayor que el transporte en diámetros mayores o menores. "Los resultados experimentales son contradictorios, "Strano dice, "que parece haber un diámetro óptimo".
Esta dependencia del tamaño del transporte podría resultar útil en una variedad de tecnologías, él sugiere, incluidas las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM), donde las moléculas de oxígeno o hidrógeno deben pasar a través de pequeños poros en una membrana para producir electricidad. Otra aplicación potencial son los dispositivos de secuenciación de ADN, donde los segmentos de ADN normalmente se precipitan a través de los poros con demasiada rapidez para ser analizados. La nueva comprensión puede proporcionar un método para "ajustar" la velocidad de tránsito para ralentizar las secuencias de ADN lo suficiente para el análisis.
La inesperada dependencia del tamaño resulta de dos fenómenos, Sugiere Strano. Según una teoría desarrollada por el equipo, hay primero una fuerza atractiva, en el que la carga eléctrica de los iones hace que sean arrastrados por un campo eléctrico a través del poro. Dado que los iones y los tubos están sumergidos en agua, también se arrastra un poco de agua.
Hasta cierto diámetro, esas moléculas de agua forman una capa, o unas pocas capas, alrededor del ion y son arrastrados con él, el equipo teoriza. Pero a medida que la apertura se hace más grande, el agua se comporta como un material a granel, retardando el paso de los iones. "Esta explicación es consistente con nuestras observaciones experimentales y simulaciones moleculares de agua dentro de nanotubos de este tipo, ", Dice Strano, aunque enfatiza que, si bien los datos sobre el flujo de iones son claros, Se necesita trabajo teórico adicional para comprender completamente este proceso.
El hallazgo puede ayudar a diseñar mejores membranas para la desalinización de agua. El mayor problema con las membranas actuales es el compromiso entre la selectividad y las tasas de flujo:los poros más grandes permiten que el agua fluya más rápido, pero son menos selectivos. La respuesta no lineal de los nanotubos puede proporcionar una forma de evitar eso.
"Los resultados sugieren que al utilizar nanoporos de un diámetro específico, puede ser posible lograr la máxima selectividad con el máximo rendimiento "optimizando el tamaño de los poros, Dice Strano.
El trabajo también podría conducir a nuevos sensores capaces de detectar contaminantes específicos en el agua, dice el equipo. Por ejemplo, La contaminación por arsénico de las aguas subterráneas es un grave problema de salud en algunas regiones. pero no existe una forma confiable de probar las concentraciones de arsénico en el agua. La selectividad de los nanotubos podría hacer posible diseñar un detector simple que pudiera medir dicha contaminación, Dice Strano.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
