Usan el grafeno como un filtro de ion sintonizable

Los investigadores del NIST han demostrado cómo el grafeno puede modificarse con los poros y usarse como un filtro iónico, y podría adaptarse para su uso en sistemas de administración de fármacos.

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

El concepto, que también puede funcionar con otros materiales de membrana, podría tener aplicaciones en sensores mecánicos a nanoescala, como el suministro de medicamentos, purificación de agua y tamices o bombas para mezclas de iones similares a los canales de iones biológicos, que son críticos para la función de las células vivas.

Imagine algo como un colador de cocina de malla fina con azúcar que fluye a través de él”, dijo el líder del proyecto, el Dr. Alex Smolyanitsky . “Usted estira el filtro de tal manera que cada agujero en la malla se vuelve un 1-2 por ciento más grande. Usted esperaría que el flujo a través de esa malla aumentara aproximadamente en la misma cantidad. Bueno, aquí en realidad aumenta el 1.000 por ciento. Creo que eso es genial, 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 separaciones o bombas de iones rápidas o un control preciso de la salinidad. Los colaboradores planean estudios de laboratorio de estos sistemas, dijo el Dr. Smolyanitsky.

El grafeno es una capa de átomos de carbono dispuestos en hexágonos, de forma similar al alambre de pollo, que conduce la electricidad. Las simulaciones de dinámica molecular del NIST se centraron en una hoja de grafeno de 5,5 nanómetros por 6,4 nanómetros de tamaño y con pequeños orificios revestidos con átomos de oxígeno. Estos poros son éteres de corona: moléculas circulares eléctricamente neutras conocidas por atrapar iones metálicos. Un estudio previo de simulación del NIST 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 fuerzas para impulsar la corriente de iones que fluye a través de la membrana.

Luego, los investigadores simularon el tirón de la membrana con diversos grados de fuerza para estirar y dilatar los poros, lo que aumenta considerablemente el flujo de iones de potasio a través de la membrana. El estiramiento en todas las direcciones tuvo el mayor efecto, pero incluso un tirón en una sola dirección tuvo un efecto parcial.

Los investigadores descubrieron que el aumento inesperadamente grande en el flujo de iones se debía 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 están ligeramente estirados. Hay un equilibrio muy sensible entre los iones y su entorno, dijo el Dr. Smolyanitsky.

La investigación fue publicada en la revista Nature Materials.