Um diagrama de uma das configurações experimentais do grupo mostra uma placa de cobre que pode ser aquecida usando uma tocha embaixo dela, para estudar o efeito da temperatura no processo. Em cima do prato, um aparelho que consiste em dois reservatórios separados por uma estrutura de silício que possui um único nanotubo de carbono no topo. Quando uma fonte de alimentação é conectada aos eletrodos (os fios se estendendo do dispositivo), moléculas carregadas (íons) de um dos reservatórios podem passar pelo tubo, e seu progresso pode ser monitorado usando um microscópio eletrônico de varredura. Crédito:Choi et al.
Como uma ervilha passando por um canudo, moléculas minúsculas podem passar por cilindros microscópicos conhecidos como nanotubos. Isso poderia ser potencialmente usado para selecionar moléculas de acordo com o tamanho - por exemplo, para purificar a água, permitindo a passagem de moléculas de água, enquanto bloqueia o sal ou outras substâncias.
Agora, pesquisadores do MIT, A Universidade de Seul, na Coreia, e o Ursinus College, na Pensilvânia, descobriram que esses tubos são mais seletivos do que se pensava:moléculas de um tamanho preciso podem passar cinco vezes mais rápido do que aquelas um pouco menores ou maiores. As novas descobertas são publicadas na revista Nature Communications pelo professor do MIT Michael Strano, alunos de pós-graduação Wonjoon Choi e Zachary Ulissi, e três outros.
Essa dependência de tamanho no transporte de nanotubos foi completamente inesperada, diz Strano, professor de engenharia química no MIT. “Este trabalho ilustra como o transporte em poros deste tipo permanece exótico e relativamente inexplorado, " ele diz.
A equipe "analisou o transporte de íons através dos menores nanoporos individuais que foram estudados, "Strano diz. Os nanotubos de carbono que eles estudaram tinham larguras variando de 0,9 a 2 nanômetros - cerca do diâmetro de uma hélice de DNA - e tinham cerca de 1 milímetro de comprimento.
"O que descobrimos não foi previsto pela teoria, "ele diz:Até certo diâmetro, o fluxo de íons através de um nanotubo aumentou de forma constante - mas além desse diâmetro, o fluxo diminuiu. "A dependência é um enredo em forma de vulcão, "Strano diz.
O pico de fluxo, no centro dessa trama, permite um transporte cinco vezes maior do que o transporte em diâmetros menores ou maiores. "Os resultados experimentais são contra-intuitivos, "Strano diz, "que parece haver um diâmetro ideal."
Esta dependência do tamanho do transporte pode vir a ser útil em uma variedade de tecnologias, ele sugere, incluindo células de combustível de membrana de troca de prótons (PEM), onde moléculas de oxigênio ou hidrogênio devem passar por minúsculos poros em uma membrana para produzir eletricidade. Outra aplicação potencial é em dispositivos de sequenciamento de DNA, onde os segmentos de DNA normalmente atravessam os poros muito rapidamente para serem analisados. O novo entendimento pode fornecer um método para "ajustar" a velocidade de trânsito para desacelerar as sequências de DNA o suficiente para análise.
A dependência de tamanho inesperada resulta de dois fenômenos, Strano sugere. De acordo com uma teoria desenvolvida pela equipe, há primeiro uma força atrativa, em que a carga elétrica dos íons faz com que eles sejam puxados por um campo elétrico através do poro. Uma vez que os íons e os tubos estão todos submersos na água, alguma água também é puxada.
Até um certo diâmetro, aquelas moléculas de água formam uma camada, ou algumas camadas, em torno do íon e são puxados junto com ele, a equipe teoriza. Mas conforme a abertura fica maior, a água se comporta como um material a granel, retardando a passagem dos íons. "Esta explicação é consistente com nossas observações experimentais e simulações moleculares de água dentro de nanotubos desse tipo, "Strano diz - embora ele enfatize que, embora os dados sobre o fluxo de íons sejam claros, trabalho teórico adicional é necessário para compreender totalmente este processo.
A descoberta pode ajudar a projetar melhores membranas para dessalinização de água. O maior problema com as membranas de hoje é a troca entre seletividade e taxas de fluxo:poros maiores permitem que a água flua mais rápido, mas são menos seletivos. A resposta não linear dos nanotubos pode fornecer uma maneira de contornar isso.
"Os resultados sugerem que, ao usar nanoporos de um diâmetro específico, pode ser possível atingir a seletividade máxima com rendimento máximo ", otimizando o tamanho dos poros, Strano diz.
O trabalho também pode levar a novos sensores capazes de detectar contaminantes específicos na água, a equipe diz. Por exemplo, a contaminação das águas subterrâneas por arsênio é um sério problema de saúde em algumas regiões, mas não há maneira confiável de testar as concentrações de arsênio na água. A seletividade dos nanotubos pode tornar possível projetar um detector simples que mede essa contaminação, Strano diz.
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
