Pesquisadores do Instituto Nacional de Grafeno da Universidade de Manchester, no Reino Unido, conseguiram criar canais artificiais de apenas um átomo pela primeira vez. Os novos capilares, que são muito parecidos com canais de proteínas naturais, como aquaporinas, são pequenos o suficiente para bloquear o fluxo dos menores íons como Na + e Cl-, mas permitem que a água flua livremente. Além de melhorar nossa compreensão fundamental do transporte molecular em escala atômica, e especialmente em sistemas biológicos, as estruturas podem ser ideais em tecnologias de dessalinização e filtração.

"Obviamente, é impossível fazer capilares menores do que um átomo de tamanho, "explica o líder da equipe, Sir Andre Geim." Nossa façanha parecia quase impossível, mesmo em retrospectiva, e era difícil imaginar tais minúsculos capilares apenas alguns anos atrás. "

Canais de proteína de ocorrência natural, como aquaporinas, permitem que a água penetre rapidamente através deles, mas bloqueiam os íons hidratados maiores do que cerca de 7 A em tamanho, graças a mecanismos como exclusão estérica (tamanho) e repulsão eletrostática. Os pesquisadores têm tentado fazer capilares artificiais que funcionem exatamente como seus equivalentes naturais, mas apesar de muito progresso na criação de poros e nanotubos em nanoescala, todas essas estruturas até agora têm sido muito maiores do que canais biológicos.

Geim e seus colegas já fabricaram canais com cerca de 3,4 A de altura. Isso tem cerca de metade do tamanho dos menores íons hidratados, como K + e Cl-, que têm um diâmetro de 6,6 A. Esses canais se comportam exatamente como canais de proteínas, pois são pequenos o suficiente para bloquear esses íons, mas são grandes o suficiente para permitir que as moléculas de água (com um diâmetro de cerca de 2,8 A) fluam livremente.

As estruturas poderiam, importante, ajudar no desenvolvimento de soluções econômicas, filtros de alto fluxo para dessalinização de água e tecnologias relacionadas - um Santo Graal para pesquisadores da área.

Lego em escala atômica

Publicando suas descobertas na Science, os pesquisadores fizeram suas estruturas usando uma técnica de montagem de van der Waals, também conhecido como "Lego em escala atômica", que foi inventado graças às pesquisas sobre o grafeno. "Nós clivamos nanocristais atomicamente planos de apenas 50 e 200 nanômetros de espessura de grafite em massa e, em seguida, colocamos tiras de grafeno em monocamada na superfície desses nanocristais, "explica a Dra. Radha Boya, um co-autor do artigo de pesquisa. "Essas tiras servem como espaçadores entre os dois cristais quando um cristal atomicamente plano semelhante é subsequentemente colocado no topo. O conjunto de três camadas resultante pode ser visto como um par de deslocamentos de borda conectados com um vazio plano entre eles. Este espaço pode acomodar apenas um camada atômica de água. "

Usar as monocamadas de grafeno como espaçadores é uma novidade e é isso que torna os novos canais diferentes de quaisquer estruturas anteriores, ela diz.

Os cientistas de Manchester projetaram seus capilares 2-D com 130 nm de largura e vários mícrons de comprimento. Eles os montaram sobre uma membrana de nitreto de silício que separava dois recipientes isolados para garantir que os canais fossem o único caminho através do qual a água e os íons pudessem fluir.

Até agora, os pesquisadores só conseguiram medir a água que flui através de capilares com espaçadores muito mais grossos (cerca de 6,7 A de altura). E embora algumas de suas simulações de dinâmica molecular indicassem que cavidades 2-D menores deveriam entrar em colapso por causa da atração de van der Waals entre as paredes opostas, outros cálculos apontaram para o fato de que as moléculas de água dentro das fendas poderiam na verdade atuar como um suporte e evitar que fendas de um átomo de altura (apenas 3,4 A de altura) caíssem. Isso é de fato o que a equipe do Manchester descobriu agora em seus experimentos.

Medindo o fluxo de água e íons

"Medimos a permeação de água através de nossos canais usando uma técnica conhecida como gravimetria, "diz Radha." Aqui, permitimos que a água em um pequeno recipiente selado evapore exclusivamente através dos capilares e então medimos com precisão (com precisão de microgramas) quanto peso o recipiente perde em um período de várias horas. "

Para fazer isso, os pesquisadores dizem que construíram um grande número de canais (mais de cem) em paralelo para aumentar a sensibilidade de suas medições. Eles também usaram cristais superiores mais grossos para evitar a flacidez, e cortou a abertura superior dos capilares (usando condicionamento de plasma) para remover quaisquer bloqueios potenciais por bordas finas presentes aqui.

Para medir o fluxo de íons, eles forçaram os íons a se moverem através dos capilares, aplicando um campo elétrico e medindo as correntes resultantes. "Se nossos capilares tivessem dois átomos de altura, descobrimos que pequenos íons podem se mover livremente através deles, assim como o que acontece na água a granel, "diz Radha." Em contraste, nenhum íon poderia passar por nossos canais, em última análise, pequenos, de um átomo de altura.

"A exceção eram os prótons, que são conhecidos por se moverem através da água como verdadeiras partículas subatômicas, em vez de íons revestidos de conchas de hidratação relativamente grandes, com vários angstroms de diâmetro. Nossos canais, portanto, bloqueiam todos os íons hidratados, mas permitem que os prótons passem. "

Uma vez que esses capilares se comportam da mesma maneira que os canais de proteínas, eles serão importantes para entender melhor como a água e os íons se comportam na escala molecular - como em filtros biológicos na escala de angstrom. "Nosso trabalho (atual e anterior) mostra que a água confinada atomicamente tem propriedades muito diferentes daquelas da água a granel, "explica Geim." Por exemplo, torna-se fortemente em camadas, tem uma estrutura diferente, e exibe propriedades dielétricas radicalmente diferentes. "