Esquema del transistor de iones a escala atómica hecho de canales de grafeno de tamaño 3 angstrom. El potencial eléctrico se aplica para imitar la carga eléctrica en las paredes de los canales biológicos y permite la intercalación de iones y el transporte de iones permeables más allá de un umbral de percolación. Crédito:Yahui Xue
El cerebro humano es una vasta red de miles de millones de células biológicas llamadas neuronas que disparan señales eléctricas que procesan información. resultando en nuestros sentidos y pensamientos. Los canales iónicos de escala atómica en cada membrana celular neuronal juegan un papel clave en tales disparos que abren y cierran el flujo de iones en una célula individual por el voltaje eléctrico aplicado a través de la membrana celular. actuando como un 'transistor biológico' similar a los transistores electrónicos en las computadoras. Por décadas, Los científicos han aprendido que los canales iónicos biológicos son transistores de la vida capaces de generar una permeación selectiva de iones extremadamente rápida y precisa a través de los filtros de selectividad a escala atómica para mantener funciones vitales vitales. Sin embargo, Sigue siendo un gran desafío hasta la fecha producir estructuras artificiales que imiten tales sistemas biológicos para la comprensión fundamental y las aplicaciones prácticas.
Investigadores dirigidos por el profesor Xiang Zhang, el presidente de la Universidad de Hong Kong (HKU), han desarrollado un transistor de iones a escala atómica basado en canales de grafeno con compuerta eléctrica de alrededor de 3 angstroms de ancho que demostró un transporte de iones altamente selectivo. También encontraron que los iones se mueven cien veces más rápido en un canal tan pequeño que en el agua a granel.
Este avance reportado recientemente en Ciencias , no solo proporciona una comprensión fundamental del tamizado rápido de iones a escala atómica, pero también conduce a un transporte de iones ultrarrápido altamente conmutable que puede encontrar aplicaciones importantes en aplicaciones electroquímicas y biomédicas.
"Este innovador transistor de iones demuestra la conmutación eléctrica del transporte de iones ultrarrápido y simultáneamente selectivo a través de canales de escala atómica como los canales de iones biológicos que funcionan en nuestro cerebro, ", dijo el investigador principal, el profesor Xiang Zhang." Profundiza nuestra comprensión fundamental del transporte de iones en el límite ultrapequeño y tendrá un impacto significativo en aplicaciones importantes como la desalinización de agua de mar y la diálisis médica ".
El desarrollo de canales de iones artificiales que utilizan estructuras de poros tradicionales se ha visto obstaculizado por el compromiso entre la permeabilidad y la selectividad para el transporte de iones. Los tamaños de los poros que exceden los diámetros de los iones hidratados hacen que la selectividad iónica desaparezca en gran medida. Se puede lograr una selectividad elevada de iones metálicos monovalentes con una dimensión de canal controlada con precisión en la escala angstrom. Sin embargo, estos canales de escala angstrom impiden significativamente la difusión rápida debido a la resistencia estérica para que los iones hidratados entren en un espacio de canal más estrecho.
"Observamos un transporte de iones selectivo ultrarrápido a través del canal de grafeno a escala atómica con un coeficiente de difusión efectivo tan alto como Deff ≈ 2.0 x 10 -7 metro 2 / s ", dijo el autor principal del estudio, Yahui Xue, ex investigador postdoctoral en el grupo del profesor Zhang. "A lo mejor de nuestro conocimiento, esta es la difusión más rápida observada en la permeación de iones impulsada por concentración a través de membranas artificiales e incluso supera el coeficiente de difusión intrínseco observado en los canales biológicos ".
Los científicos de Hong Kong y UC Berkeley utilizaron por primera vez el voltaje de la puerta para controlar el potencial de superficie de los canales de grafeno y se dieron cuenta de una densidad ultra alta de carga dentro de estos canales. Las cargas vecinas exhiben una fuerte interacción electrostática entre sí. Esto da como resultado un estado de equilibrio de carga dinámica de modo que la inserción de una carga desde un extremo del canal conduciría a la expulsión de otra en el otro extremo. El movimiento de carga concertado resultante mejora en gran medida la velocidad y la eficiencia generales del transporte.
"Nuestras mediciones ópticas in situ revelaron una densidad de carga de hasta 1,8 x 10 14 /cm 2 al mayor voltaje de puerta aplicado ", dijo Yang Xia, un ex Ph.D. estudiante en el grupo del profesor Zhang. "Es sorprendentemente alto, y nuestro modelo teórico de campo medio sugiere que el transporte de iones ultrarrápido se atribuye a un empaquetamiento muy denso de iones y su movimiento concertado dentro de los canales de grafeno ".
El transistor de iones de escala atómica también ha demostrado una capacidad de conmutación superior, similar al de los canales biológicos, que se origina a partir de un comportamiento umbral inducido por la barrera de energía crítica para la inserción de iones hidratados. El tamaño del canal más pequeño que los diámetros de hidratación de los iones de metales alcalinos crea una barrera de energía intrínseca que prohíbe la entrada de iones en la condición de circuito abierto. Aplicando potencial eléctrico de compuerta, la capa de hidratación podría distorsionarse o cortarse parcialmente para superar la barrera de energía de entrada de iones, permitiendo la intercalación de iones y, finalmente, el transporte de iones permeable más allá de un umbral de percolación.
El canal de grafeno a escala atómica estaba hecho de una sola escama de óxido de grafeno reducido. Esta configuración tiene la ventaja de estructuras de capas intactas para la investigación de propiedades fundamentales y también conserva una gran flexibilidad para la fabricación a escala en el futuro.
Se encontró que la secuencia de selección de iones de metales alcalinos a través del transistor de iones de escala atómica se asemeja a la de los canales biológicos de potasio. Esto también implica un mecanismo de control similar a los sistemas biológicos, que combina la deshidratación de iones y la interacción electrostática.
Este trabajo es un avance fundamental en el estudio del transporte de iones a través de poros sólidos a escala atómica. La integración de los transistores de iones a escala atómica en redes a gran escala puede incluso hacer posible la producción de excitantes sistemas neuronales artificiales e incluso computadoras similares al cerebro.
