Por primera vez, Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han demostrado que los nanotubos de carbono de tan solo ocho décimas de nanómetro de diámetro pueden transportar protones más rápido que el agua a granel. por un orden de magnitud.

La investigación valida un mecanismo de transporte de protones de 200 años.

Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. En comparación, el diámetro de un cabello humano es 20, 000 nanómetros.

Las tasas de transporte en estos poros de nanotubos, que forman cables de agua unidimensionales, también exceden los de los canales biológicos y los conductores de protones artificiales, haciendo de los nanotubos de carbono el conductor de protones más rápido conocido. La investigación aparece en la edición avanzada en línea del 4 de abril de la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Las aplicaciones prácticas incluyen membranas de intercambio de protones, señalización basada en protones en sistemas biológicos y el campo emergente de la bioelectrónica de protones (protónica).

"Lo bueno de nuestros resultados es que descubrimos que cuando se exprime agua en el nanotubo, los protones se mueven a través de esa agua incluso más rápido que a través del agua normal (a granel), "dijo Aleksandr Noy, un biofísico de LLNL y autor principal del artículo. (El agua a granel es similar a lo que encontraría en una taza de agua que es mucho más grande que el tamaño de una sola molécula de agua).

La idea de que los protones viajan rápido en soluciones saltando a lo largo de cadenas de moléculas de agua unidas por hidrógeno se remonta 200 años al trabajo de Theodore von Grotthuss y sigue siendo la base de la comprensión científica del transporte de protones. En la nueva investigación, Los investigadores de LLNL utilizaron poros de nanotubos de carbono para alinear las moléculas de agua en cadenas unidimensionales perfectas y demostraron que permiten que las tasas de transporte de protones se acerquen a los límites finales del mecanismo de transporte de Grotthuss.

"La posibilidad de lograr un transporte rápido de protones cambiando el grado de confinamiento del agua es emocionante, "Noy dijo." Hasta ahora, los conductores de protones artificiales, como el polímero Nafion, utilice un principio diferente para mejorar el transporte de protones. Hemos imitado la forma en que los sistemas biológicos mejoran el transporte de protones, lo llevo al extremo, y ahora nuestro sistema se da cuenta del límite máximo de conductividad de protones en un nanoporo ".

De todos los materiales hechos por el hombre, los estrechos poros internos hidrófobos de los nanotubos de carbono (CNT) son los más prometedores para ofrecer el nivel de confinamiento y las interacciones débiles con las moléculas de agua que facilitan la formación de cadenas de agua unidimensionales unidas por hidrógeno que mejoran el transporte de protones.

Simulaciones dinámicas moleculares anteriores mostraron que el agua en nanotubos de carbono de 0,8 nm de diámetro crearía tales cables de agua y predijo que estos canales exhibirían tasas de transporte de protones que serían mucho más rápidas que las del agua a granel. Ramya Tunuguntla, un investigador postdoctoral LLNL y el primer autor del artículo, dijo que a pesar de los importantes esfuerzos en los estudios de transporte de nanotubos de carbono, estas predicciones resultaron ser difíciles de validar, principalmente debido a las dificultades para crear poros de CNT de menos de 1 nm de diámetro.

Sin embargo, el equipo de Lawrence Livermore junto con colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y UC Berkeley pudieron crear un sistema experimental simple y versátil para estudiar el transporte en poros CNT ultra estrechos. Utilizaron porinas de nanotubos de carbono (CNTP), una tecnología que desarrollaron anteriormente en LLNL, que utiliza nanotubos de carbono incrustados en la membrana lipídica para imitar la funcionalidad del canal de iones biológicos. El avance clave fue la creación de porinas de nanotubos con un diámetro de menos de 1 nm, lo que permitió a los investigadores por primera vez lograr un verdadero confinamiento de agua unidimensional.