Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han realizado simulaciones que sugieren que el grafeno, además de sus muchas otras funciones útiles, se puede modificar con poros especiales para que actúen como un filtro sintonizable o colador de iones (átomos cargados) en un líquido.

El concepto, que también puede funcionar con otros materiales de membrana, podría tener aplicaciones como sensores mecánicos a nanoescala, entrega de medicamentos, purificación de agua y tamices o bombas para mezclas de iones similares a los canales de iones biológicos, que son fundamentales para la función de las células vivas. La investigación se describe en la edición del 26 de noviembre de Materiales de la naturaleza .

"Imagina algo como un colador de cocina de malla fina con azúcar fluyendo a través de él, ", dijo el líder del proyecto Alex Smolyanitsky." Se estira ese colador de tal manera que cada agujero en la malla se vuelve un 1-2 por ciento más grande. Es de esperar que el flujo a través de esa malla aumente aproximadamente en la misma cantidad. Bien, aquí en realidad aumenta 1, 000 por ciento. Creo que eso es muy bueno con toneladas de aplicaciones ".

Si se puede lograr experimentalmente, este tamiz de grafeno sería el primer canal de iones artificial que ofrece un aumento exponencial en el flujo de iones cuando se estira, ofreciendo posibilidades para bombas o separaciones de iones rápidos o un control preciso de la salinidad. Los colaboradores planifican estudios de laboratorio de estos sistemas, Smolyanitsky dijo.

El grafeno es una capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos, similar en forma al alambre de gallinero, que conduce la electricidad. Las simulaciones de dinámica molecular del NIST se centraron en una hoja de grafeno de 5,5 por 6,4 nanómetros (nm) de tamaño y con pequeños agujeros revestidos con átomos de oxígeno. Estos poros son éteres corona, moléculas circulares eléctricamente neutras conocidas por atrapar iones metálicos. Un estudio de simulación del NIST anterior mostró que este tipo de membrana de grafeno podría usarse para la computación nanofluídica.

En las simulaciones, el grafeno se suspendió en agua que contenía cloruro de potasio, una sal que se divide en iones de potasio y cloro. Los poros del éter de la corona pueden atrapar iones de potasio, que tienen una carga positiva. Las tasas de captura y liberación se pueden controlar eléctricamente. Se aplicó un campo eléctrico de varias intensidades para impulsar la corriente iónica que fluye a través de la membrana.

Luego, los investigadores simularon tirar de la membrana con varios grados de fuerza para estirar y dilatar los poros, aumentando considerablemente el flujo de iones de potasio a través de la membrana. Estirarse en todas direcciones tuvo el mayor efecto, pero incluso tirar en una sola dirección tuvo un efecto parcial.

Los investigadores encontraron que el aumento inesperadamente grande en el flujo de iones se debió a una interacción sutil de varios factores, incluida la delgadez del grafeno; interacciones entre los iones y el líquido circundante; y las interacciones ion-poro, que se debilitan cuando los poros se estiran ligeramente. Existe un equilibrio muy sensible entre los iones y su entorno, Smolyanitsky dijo.