Investigadores del Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester en el Reino Unido han logrado crear canales artificiales de un solo átomo de tamaño por primera vez. Los nuevos capilares, que son muy parecidos a los canales de proteínas naturales como las acuaporinas, son lo suficientemente pequeños como para bloquear el flujo de iones más pequeños como Na + y Cl- pero permiten que el agua fluya libremente. Además de mejorar nuestra comprensión fundamental del transporte molecular a escala atómica, y especialmente en sistemas biológicos, las estructuras podrían ser ideales en tecnologías de desalinización y filtración.

"Obviamente, es imposible hacer capilares más pequeños que un átomo de tamaño, ", explica el líder del equipo, Sir Andre Geim." Nuestra hazaña parecía casi imposible, incluso en retrospectiva, y era difícil imaginar capilares tan diminutos hace apenas un par de años ".

Canales de proteínas de origen natural, como las acuaporinas, permiten que el agua penetre rápidamente a través de ellos, pero bloquee los iones hidratados de un tamaño superior a 7 A gracias a mecanismos como la exclusión estérica (tamaño) y la repulsión electrostática. Los investigadores han estado tratando de hacer capilares artificiales que funcionen como sus contrapartes naturales, pero a pesar del gran progreso en la creación de poros y nanotubos a nanoescala, hasta la fecha, todas estas estructuras han sido mucho más grandes que los canales biológicos.

Geim y sus colegas ahora han fabricado canales que tienen alrededor de solo 3.4 A de altura. Esto es aproximadamente la mitad del tamaño de los iones hidratados más pequeños, como K + y Cl-, que tienen un diámetro de 6,6 A. Estos canales se comportan como los canales de proteínas en el sentido de que son lo suficientemente pequeños para bloquear estos iones pero lo suficientemente grandes para permitir que las moléculas de agua (con un diámetro de alrededor de 2,8 A) fluyan libremente a través de ellos.

Las estructuras podrían, en tono rimbombante, ayudar en el desarrollo de rentable, filtros de alto flujo para la desalinización de agua y tecnologías relacionadas:un santo grial para los investigadores en el campo.

Lego a escala atómica

Al publicar sus hallazgos en Science, los investigadores hicieron sus estructuras utilizando una técnica de ensamblaje de van der Waals, también conocido como "Lego a escala atómica", que fue inventado gracias a la investigación sobre el grafeno. "Escindimos nanocristales atómicamente planos de solo 50 y 200 nanómetros de espesor a partir de grafito a granel y luego colocamos tiras de grafeno monocapa sobre la superficie de estos nanocristales, "explica la Dra. Radha Boya, coautor del trabajo de investigación. "Estas tiras sirven como espaciadores entre los dos cristales cuando posteriormente se coloca un cristal plano atómicamente similar en la parte superior. El ensamblaje de tres capas resultante se puede ver como un par de dislocaciones de borde conectadas con un vacío plano en el medio. Este espacio solo puede acomodar una capa atómica de agua ".

El uso de monocapas de grafeno como espaciadores es la primera vez y esto es lo que hace que los nuevos canales sean diferentes de cualquier estructura anterior. ella dice.

Los científicos de Manchester diseñaron sus capilares bidimensionales para que tuvieran 130 nm de ancho y varios micrones de largo. Los ensamblaron sobre una membrana de nitruro de silicio que separaba dos contenedores aislados para asegurarse de que los canales fueran la única vía a través de la cual pudieran fluir el agua y los iones.

Hasta ahora, los investigadores solo habían podido medir el agua que fluía a través de capilares que tenían espaciadores mucho más gruesos (alrededor de 6,7 A de altura). Y aunque algunas de sus simulaciones de dinámica molecular indicaron que las cavidades bidimensionales más pequeñas deberían colapsar debido a la atracción de van der Waals entre las paredes opuestas, Otros cálculos señalaron el hecho de que las moléculas de agua dentro de las rendijas podrían actuar como soporte y evitar que incluso las rendijas de un átomo de altura (solo 3.4 A de altura) caigan. De hecho, esto es lo que el equipo de Manchester ha encontrado ahora en sus experimentos.

Medición del flujo de iones y agua

"Medimos la permeabilidad del agua a través de nuestros canales mediante una técnica conocida como gravimetría, "dice Radha." Aquí, permitimos que el agua en un pequeño recipiente sellado se evapore exclusivamente a través de los capilares y luego medimos con precisión (con una precisión de microgramos) cuánto peso pierde el recipiente durante un período de varias horas ".

Para hacer esto, los investigadores dicen que construyeron una gran cantidad de canales (más de cien) en paralelo para aumentar la sensibilidad de sus mediciones. También utilizaron cristales superiores más gruesos para evitar la flacidez. y recortó la abertura superior de los capilares (utilizando grabado con plasma) para eliminar cualquier bloqueo potencial por los bordes delgados presentes aquí.

Para medir el flujo de iones, forzaron a los iones a moverse a través de los capilares aplicando un campo eléctrico y luego midieron las corrientes resultantes. "Si nuestros capilares tuvieran dos átomos de altura, descubrimos que los iones pequeños pueden moverse libremente a través de ellos, al igual que ocurre con el agua a granel, "dice Radha". En contraste, ningún ión podría pasar a través de nuestros canales pequeños de un átomo de altura en última instancia.

"La excepción fueron los protones, que se sabe que se mueven a través del agua como verdaderas partículas subatómicas, en lugar de iones vestidos con capas de hidratación relativamente grandes de varios angstroms de diámetro. Por tanto, nuestros canales bloquean todos los iones hidratados pero permiten el paso de los protones ".

Dado que estos capilares se comportan de la misma manera que los canales de proteínas, serán importantes para comprender mejor cómo se comportan el agua y los iones a escala molecular, como en los filtros biológicos de escala angstrom. "Nuestro trabajo (tanto actual como anterior) muestra que el agua confinada atómicamente tiene propiedades muy diferentes a las del agua a granel, "explica Geim". Por ejemplo, se vuelve fuertemente estratificado, tiene una estructura diferente, y exhibe propiedades dieléctricas radicalmente diferentes ".