Una porina de nanotubos de carbono incrustada en una bicapa lipídica con un anión (verde) en la entrada de la porina de nanotubos de carbono. El anión está completamente hidratado, es decir, rodeado de moléculas de agua unidas, que necesita desprenderse antes de entrar en el nanotubo. Una ventana en el nanotubo (abajo) muestra otro anión que arrojó algunas de esas moléculas de agua y entró en el interior del tubo. Crédito:Zhongwu Li, Fikret Aydin, Tuan Anh Pham y Alex Noy / LLNL
Tratando de determinar cómo los iones cargados negativamente se aprietan a través de un nanotubo de carbono 20, 000 veces más pequeño que un cabello humano no es tarea fácil.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) no solo hicieron eso, sino que descubrieron que esos iones son inesperadamente delicados dependiendo del anión (un ión cargado negativamente). La investigación aparece en ACS Nano .
Los poros internos de los nanotubos de carbono combinan un transporte de agua extremadamente rápido y una selectividad iónica que podría ser potencialmente útil para aplicaciones de separación y desalinización de agua de alto rendimiento. Determinar qué aniones son permeables al poro de los nanotubos puede ser fundamental para muchos procesos de separación. incluida la desalación, que convierte el agua de mar en agua dulce al eliminar los iones de sal.
"Ver la selectividad diferencial para diversos aniones es importante debido a la necesidad de diseñar membranas muy selectivas que puedan separar estos iones, "dijo el científico de LLNL Alex Noy, autor principal del artículo. "Un buen ejemplo podrían ser las separaciones químicas en las que siempre es necesario eliminar determinadas especies de forma selectiva".
Los aniones de valencia única (monovalentes) son notoriamente difíciles de separar, ya que son de tamaño similar y no son químicamente reactivos.
"La observación de esta fuerte selectividad diferencial se basa en un mecanismo que es exclusivo de los poros de escala nanométrica y, por lo tanto, podría abrir la posibilidad de diseñar membranas con selectividad para los otros tipos de especies químicas". "dijo Zhongwu Li, el primer autor del artículo. "Eso, en última instancia, podría allanar el camino hacia una nueva generación de membranas de separación química precisas".
El equipo utilizó ensayos de fluorescencia y espectrometría de flujo detenido para determinar la permeabilidad de cuatro aniones monovalentes (cloruro, bromuro, yoduro y tiocianato) a través de porinas de nanotubos de carbono (CNTP) estrechas de 0,8 nanómetros de diámetro. Las mediciones revelaron una selectividad iónica diferencial inesperadamente fuerte con permeabilidades de diferentes iones que variaban hasta en 2 órdenes de magnitud.
Luego, el equipo aplicó simulaciones de dinámica molecular de primeros principios que revelaron que el origen de esta fuerte selectividad iónica diferencial es la deshidratación parcial de los aniones al entrar en los canales CNTP estrechos.
"En general, un ion con menor energía de hidratación penetra más fácilmente en comparación con un ion con mayor hidratación, "dijo Tuan Anh Pham, un científico de LLNL y coautor del estudio, quien dirigió la parte de modelado de esta investigación. "Estos resultados proporcionan información adicional sobre el mecanismo de selectividad de iones en estos poros y también apuntan a los factores que los investigadores deben tener en cuenta al diseñar canales y membranas selectivas de iones artificiales".
El trabajo futuro investigará las barreras de energía de activación para otros tipos de iones que ingresan a los CNTP.
