p Eles dizem que são as pequenas coisas que contam, e isso certamente é verdadeiro para os canais nas proteínas transmembrana, que são pequenos o suficiente para permitir a passagem de íons ou moléculas de um determinado tamanho, enquanto mantém objetos maiores fora. Nanocanais fluídicos artificiais que imitam as capacidades das proteínas transmembrana são altamente valorizados por uma série de tecnologias avançadas. Contudo, tem sido difícil fazer canais artificiais individuais desse tamanho - até agora. p Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) foram capazes de fabricar nanocanais com apenas dois nanômetros (2 nm) de tamanho, usando processos de fabricação de semicondutores padrão. Eles já usaram esses nanocanais para descobrir que a mecânica dos fluidos para passagens tão pequenas são significativamente diferentes, não apenas dos canais em massa, mas mesmo de canais com apenas 10 nanômetros de tamanho.

p "Pudemos estudar o transporte de íons em nossos nanocanais de 2 nm medindo a dependência do tempo e da concentração da condutância iônica, "diz Arun Majumdar, Diretor da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do DOE - Energia (ARPA-E), que liderou esta pesquisa enquanto ainda era um cientista no Laboratório de Berkeley. "Observamos uma taxa muito maior de mobilidade de prótons e iônica em nossos canais hidratados confinados - até um aumento de quatro vezes em relação aos nanocanais maiores (10 a 100 nm). Esse transporte aprimorado de prótons poderia explicar o alto rendimento de prótons na transmembrana canais. "

p Majumdar é o co-autor com Chuanhua Duan, um membro do grupo de pesquisa de Majumdar na Universidade da Califórnia (UC) Berkeley, de um artigo sobre este trabalho, que foi publicado no jornal Nature Nanotechnlogy . O artigo é intitulado "Transporte de íons anômalos em nanocanais hidrofílicos de 2 nm".

p Em seu jornal, Majumdar e Duan descrevem uma técnica na qual a corrosão iônica de alta precisão é combinada com a ligação anódica para fabricar canais de um tamanho e geometria específicos em um molde de silício sobre vidro. Para evitar que o canal entre em colapso sob as fortes forças eletrostáticas do processo de ligação anódica, uma camada de óxido espessa (500 nm) foi depositada sobre o substrato de vidro.

p "Esta etapa de deposição e a etapa de ligação a seguir garantiram uma vedação de canal bem-sucedida sem colapso, "diz Duan." Também tivemos que escolher a temperatura certa, tensão e período de tempo para garantir a ligação perfeita. Eu comparo o processo de cozinhar um bife, você precisa escolher o tempero certo, bem como o tempo e a temperatura certos. A deposição da camada de óxido foi o tempero certo para nós. ”

p Os canais de tamanho nanométrico nas proteínas transmembrana são essenciais para controlar o fluxo de íons e moléculas através das paredes externa e interna de uma célula biológica, que, por sua vez, são essenciais para muitos dos processos biológicos que sustentam a célula. Como suas contrapartes biológicas, nanocanais fluídicos podem desempenhar papéis críticos no futuro das células de combustível e baterias.

p "O transporte de íons aprimorado melhora a densidade de potência e a densidade de energia prática de células de combustível e baterias, "Duan diz." Embora a densidade de energia teórica em células de combustível e baterias seja determinada pelos materiais eletroquímicos ativos, a densidade de energia prática é sempre muito mais baixa devido à perda de energia interna e ao uso de componentes inativos. O transporte de íons aprimorado pode reduzir a resistência interna em células de combustível e baterias, o que reduziria a perda de energia interna e aumentaria a densidade de energia prática. "

p As descobertas de Duan e Majumdar indicam que o transporte de íons pode ser significativamente aumentado em nanoestruturas hidrofílicas de 2 nm por causa de seus confinamentos geométricos e altas densidades de carga superficial. Como um exemplo, Duan cita o separador, o componente colocado entre o cátodo e o ânodo em baterias e células de combustível para evitar o contato físico dos eletrodos enquanto permite o transporte iônico livre.

p "Os separadores atuais são principalmente camadas microporosas que consistem em uma membrana polimérica ou um tapete de tecido não tecido, "Duan diz." Uma membrana inorgânica incorporada com uma série de nanocanais hidrofílicos de 2 nm poderia ser usada para substituir os separadores de corrente e melhorar a potência prática e a densidade de energia. "

p Os nanocanais de 2 nm também são promissores para aplicações biológicas porque têm o potencial de serem usados ​​para controlar e manipular diretamente soluções fisiológicas. Os dispositivos nanofluídicos atuais utilizam canais com tamanho de 10 a 100 nm para separar e manipular biomoléculas. Por causa de problemas com interações eletrostáticas, esses canais maiores podem funcionar com soluções artificiais, mas não com soluções fisiológicas naturais.

p "Para soluções fisiológicas com concentrações iônicas típicas de aproximadamente 100 milimolares, o comprimento de triagem Debye é 1 nm, "diz Duan." Como as camadas duplas elétricas de superfícies de dois canais se sobrepõem em nossos nanocanais de 2 nm, todas as aplicações biológicas atuais encontradas em nanocanais maiores podem ser transferidas para nanocanais de 2 nm para meios fisiológicos reais. "

p O próximo passo dos pesquisadores será estudar o transporte de íons e moléculas em nanotubos hidrofílicos ainda menores que 2 nm. Espera-se que o transporte de íons seja ainda mais aprimorado pela geometria menor e pela força de hidratação mais forte.

p "Estou desenvolvendo uma membrana inorgânica com matriz de nanotubos hidrofílicos sub-2 nm incorporada que será usada para estudar o transporte de íons em eletrólitos aquosos e orgânicos, - Duan diz. "Ele também será desenvolvido como um novo tipo de separador para baterias de íon-lítio."