Investigadores del Instituto Nacional del Grafeno de la Universidad de Manchester en el Reino Unido han logrado que los canales artificiales sean de un solo 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 los iones más pequeños como el Na + y el 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 unos capilares tan pequeños hace apenas un par de años”.

Los canales de proteínas naturales, como las acuaporinas, permiten que el agua penetre rápidamente a través de ellos, pero bloquean los iones hidratados de tamaño más grande que alrededor de 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 igual que sus contrapartes naturales, pero a pesar de los grandes avances en la creación de poros y nanotubos a nanoescala, todas las estructuras hasta la fecha han sido mucho más grandes que los canales biológicos.

Geim y sus colegas ahora han fabricado canales de alrededor de 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 canales de proteínas en que son lo suficientemente pequeños como para bloquear estos iones pero son lo suficientemente grandes para permitir Las moléculas de agua (con un diámetro de alrededor de 2.8 A) fluyen libremente a través de ellas.

Las estructuras podrían, de manera importante, ayudar en el desarrollo de filtros rentables y de alto flujo para la desalinización del agua y las tecnologías relacionadas, un santo grial para los investigadores en el campo.

Lego de escala atómica

Al publicar sus hallazgos en Science, los investigadores hicieron sus estructuras utilizando una técnica de ensamblaje de van der Waals, también conocida como “Lego a escala atómica”, que se inventó gracias a la investigación sobre el grafeno. “Escindimos nanocristales atómicamente planos de solo 50 y 200 nanómetros de grosor de grafito a granel y luego colocamos tiras de grafeno monocapa sobre la superficie de estos nanocristales”, explica la Dra. Radha Boya, coautora del artículo de investigación.

“Estas tiras sirven como separadores entre los dos cristales cuando posteriormente se coloca en la parte superior un cristal atómicamente plano similar. El conjunto de tres capas resultante se puede ver como un par de dislocaciones de borde conectadas con un vacío plano en el medio. Este espacio puede acomodar solo una capa atómica de agua”.

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

Los científicos de Manchester diseñaron sus capilares 2-D de 130 nm de ancho y varios micrones de longitud. Los ensamblaron sobre una membrana de nitruro de silicio que separaba dos contenedores aislados para garantizar que los canales fueran la única vía a través de la cual podían fluir el agua y los iones.

Hasta ahora, los investigadores solo habían podido medir el flujo de agua a través de capilares que tenían espaciadores mucho más gruesos (alrededor de 6.7 A de alto). Y si bien algunas de sus simulaciones de dinámica molecular indicaron que las cavidades 2D más pequeñas deberían colapsar debido a la atracción de van der Waals entre las paredes opuestas, otros cálculos apuntaban al hecho de que las moléculas de agua dentro de las rendijas podrían actuar como un soporte y prevenir incluso una. -las rendijas altas (solo 3.4 A de altura) se caen. Esto es realmente lo que el equipo de Manchester ha encontrado ahora en sus experimentos.

Medición del flujo de agua e iones

“Medimos la permeación de agua a través de nuestros canales utilizando 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 microgramos de precisión) 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 cortaron la abertura superior de los capilares (utilizando el grabado con plasma) para eliminar cualquier posible bloqueo 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, encontramos que los pequeños iones pueden moverse libremente a través de ellos, como ocurre en el agua a granel”, dice Radha. “En contraste, ningún ión podría pasar a través de nuestros últimos canales pequeños de un átomo de altura.

“La excepción fue la de los protones, que se sabe que se mueven a través del agua como verdaderas partículas subatómicas, en lugar de iones envueltos en capas de hidratación relativamente grandes con varios angstroms de diámetro. Nuestros canales bloquean todos los iones hidratados, pero permiten que los protones pasen”.

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 en la escala molecular, como en los filtros biológicos de escala angstrom. “Nuestro trabajo (tanto el presente como el anterior) muestra que el agua confinada atómicamente tiene propiedades muy diferentes de las del agua a granel “, explica Geim. “Por ejemplo, se vuelve fuertemente estratificado, tiene una estructura diferente y exhibe propiedades dieléctricas radicalmente diferentes”.

Via: https://phys.org/news/2019-01-atomic-scale-capillaries-block-smallest-ions.html#jCp