La superficie de una sola célula contiene cientos de poros diminutos, o canales iónicos, cada uno de los cuales es un portal para iones específicos. Los canales de iones tienen típicamente alrededor de 1 nanómetro de ancho; manteniendo el equilibrio adecuado de iones, mantienen las células sanas y estables.

Ahora, los investigadores del MIT han creado poros diminutos en hojas individuales de grafeno que tienen una variedad de preferencias y características similares a las de los canales iónicos en las células vivas.

Cada poro de grafeno tiene menos de 2 nanómetros de ancho, lo que los convierte en uno de los poros más pequeños a través de los cuales los científicos han estudiado el flujo de iones. Cada uno también es singularmente selectivo, prefiriendo transportar ciertos iones sobre otros a través de la capa de grafeno.

"Lo que vemos es que hay mucha diversidad en las propiedades de transporte de estos poros, lo que significa que hay mucho potencial para adaptar estos poros a diferentes aplicaciones o selectividades, "dice Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT.

Karnik dice que los nanoporos de grafeno podrían ser útiles como sensores, por ejemplo, detectar iones de mercurio, potasio, o fluoruro en solución. Estas membranas selectivas de iones también pueden ser útiles en la minería:en el futuro, Puede ser posible hacer nanoporos de grafeno capaces de filtrar trazas de iones de oro de otros iones metálicos. como la plata y el aluminio.

Karnik y el ex estudiante de posgrado Tarun Jain, junto con Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michael Boutilier, y Sean O'Hern del MIT y Juan-Carlos Idrobo del Laboratorio Nacional Oak Ridge, publicar sus resultados hoy en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

Personalidad dinámica

En células vivas, la diversidad de canales iónicos puede surgir del tamaño y la disposición atómica precisa de los canales, que son ligeramente más pequeños que los iones que fluyen a través de ellos.

"Cuando los nanoporos se vuelven más pequeños que el tamaño hidratado del ion, luego empiezas a ver que surgen comportamientos interesantes, "Dice Jain.

En particular, iones hidratados, o iones en solución, están rodeados por una capa de moléculas de agua que se adhieren al ion, dependiendo de su carga eléctrica. El hecho de que un ión hidratado pueda pasar a través de un canal iónico determinado depende del tamaño y la configuración de ese canal a escala atómica.

Karnik razonó que el grafeno sería un material adecuado para crear canales iónicos artificiales:una hoja de grafeno es una red ultrafina de átomos de carbono que tiene un átomo de espesor, por lo que los poros en el grafeno se definen a escala atómica.

Para crear poros en el grafeno, el grupo utilizó la deposición química de vapor, un proceso que se usa típicamente para producir películas delgadas. En grafeno, el proceso crea naturalmente pequeños defectos. Los investigadores utilizaron el proceso para generar poros de tamaño nanométrico en varias hojas de grafeno, que se parecía al queso suizo ultrafino.

Luego, los investigadores aislaron los poros individuales colocando cada hoja de grafeno sobre una capa de nitruro de silicio que había sido perforado por un haz de iones. cuyo diámetro es ligeramente menor que el espacio entre los poros de grafeno. El grupo razonó que cualquier ión que fluye a través de la configuración de dos capas probablemente habría pasado primero a través de un solo poro de grafeno. y luego a través del orificio de nitruro de silicio más grande.

El grupo midió los flujos de cinco iones de sal diferentes a través de varias configuraciones de láminas de grafeno aplicando un voltaje y midiendo la corriente que fluye a través de los poros. Las mediciones de corriente-voltaje variaron ampliamente de poro a poro, y de ion en ion, con algunos poros que permanecen estables, mientras que otros oscilaban hacia adelante y hacia atrás en la conductancia, una indicación de que los poros eran diversos en sus preferencias para permitir el paso de ciertos iones.

"La imagen que surge es que cada poro es diferente y que los poros son dinámicos, "Dice Karnik." Cada poro comienza a desarrollar su propia personalidad ".

Nueva frontera

Karnik y Jain luego desarrollaron un modelo para interpretar las medidas, y lo usó para traducir las medidas del experimento en estimaciones del tamaño de los poros. Basado en el modelo, encontraron que el diámetro de muchos de los poros estaba por debajo de 1 nanómetro, lo cual, dado el grosor de un solo átomo de grafeno, los convierte en uno de los poros más pequeños a través de los cuales los científicos han estudiado el flujo de iones.

Con el modelo, el grupo calculó el efecto de varios factores sobre el comportamiento de los poros, y encontró que el comportamiento de los poros observado fue capturado por tres características principales:el tamaño de un poro, su carga eléctrica, y la posición de esa carga a lo largo de un poro.

Sabiendo esto Es posible que algún día los investigadores puedan adaptar los poros a nanoescala para crear membranas específicas de iones para aplicaciones como la detección ambiental y la minería de trazas de metales.

"Es una especie de nueva frontera en tecnologías de membranas, y al comprender el transporte a través de estos poros realmente pequeños en materiales ultrafinos, "Dice Karnik.