O cérebro humano é uma vasta rede de bilhões de células biológicas chamadas neurônios que disparam sinais elétricos que processam informações, resultando em nossos sentidos e pensamentos. Os canais iônicos de escala atômica em cada membrana celular neuronal desempenham um papel fundamental em tais disparos que abrem e fecham o fluxo de íons em uma célula individual pela voltagem elétrica aplicada através da membrana celular, atuando como um 'transistor biológico' semelhante aos transistores eletrônicos em computadores. Por décadas, os cientistas aprenderam que os canais iônicos biológicos são os transistores da vida capazes de bloquear a permeação seletiva de íons de forma extremamente rápida e precisa através dos filtros de seletividade em escala atômica para manter as funções vitais. Contudo, continua sendo um grande desafio até o momento produzir estruturas artificiais para imitar tais sistemas biológicos para compreensão fundamental e aplicações práticas.

Pesquisadores liderados pelo Professor Xiang Zhang, o presidente da Universidade de Hong Kong (HKU), desenvolveram um transistor de íons em escala atômica com base em canais de grafeno eletricamente controlados com cerca de 3 angstroms de largura, que demonstraram transporte iônico altamente seletivo. Eles também descobriram que os íons se movem cem vezes mais rápido em um canal tão pequeno do que na água a granel.

Esta descoberta, relatado recentemente em Ciência , não só fornece uma compreensão fundamental da peneiração rápida de íons em escala atômica, mas também leva ao transporte de íons ultrarrápido altamente comutável que pode encontrar aplicações importantes em aplicações eletroquímicas e biomédicas.

"Este transistor de íon inovador demonstra a comutação elétrica de transporte iônico ultrarrápido e simultaneamente seletivo por meio de canais em escala atômica, como canais de íons biológicos funcionando em nosso cérebro, "disse o investigador principal, Professor Xiang Zhang." Isso aprofunda nossa compreensão fundamental do transporte de íons no limite ultra-pequeno e terá um impacto significativo em aplicações importantes, como a dessalinização de água do mar e diálise médica. "

O desenvolvimento de canais iônicos artificiais usando estruturas de poros tradicionais tem sido prejudicado pelo trade-off entre permeabilidade e seletividade para transporte de íons. Tamanhos de poros que excedem os diâmetros de íons hidratados fazem com que a seletividade de íons praticamente desapareceu. A seletividade elevada de íons metálicos monovalentes pode ser alcançada com a dimensão do canal precisamente controlada na escala de angstrom. Contudo, esses canais em escala de angstrom impedem significativamente a difusão rápida devido à resistência estérica para íons hidratados entrarem no espaço do canal mais estreito.

"Observamos o transporte seletivo ultrarrápido de íons através do canal de grafeno em escala atômica com um coeficiente de difusão efetivo tão alto quanto Deff ≈ 2,0 x 10 ^-7 m ² / s. "disse o autor principal do estudo, Yahui Xue, um ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo do professor Zhang. "Para o melhor de nosso conhecimento, esta é a difusão mais rápida observada na permeação de íons orientada pela concentração através de membranas artificiais e até mesmo ultrapassa o coeficiente de difusão intrínseco observado em canais biológicos. "

Cientistas de Hong Kong e da UC Berkeley primeiro usaram a tensão de porta para controlar o potencial de superfície dos canais de grafeno e perceberam uma densidade ultra-alta de empacotamento de carga dentro desses canais. As cargas vizinhas apresentam forte interação eletrostática entre si. Isso resulta em um estado de equilíbrio de carga dinâmico de modo que a inserção de uma carga de uma extremidade do canal levaria à ejeção de outra na outra extremidade. O movimento de carga combinada resultante aumenta muito a velocidade e a eficiência geral do transporte.

"Nossas medições ópticas in situ revelaram uma densidade de carga tão alta quanto 1,8 x 10 ¹⁴ /cm ² na maior tensão de porta aplicada ", disse Yang Xia, um ex-Ph.D. aluno do grupo do professor Zhang. "É surpreendentemente alto, e nossa modelagem teórica de campo médio sugere que o transporte de íons ultra-rápido é atribuído ao empacotamento altamente denso de íons e seu movimento combinado dentro dos canais de grafeno. "

O transistor de íon em escala atômica também demonstrou capacidade de comutação superior, semelhante ao dos canais biológicos, proveniente de um comportamento de limiar induzido pela barreira de energia crítica para a inserção de íons hidratados. O tamanho do canal menor do que os diâmetros de hidratação dos íons de metal alcalino cria uma barreira de energia intrínseca que proíbe a entrada de íons na condição de circuito aberto. Ao aplicar o potencial elétrico de bloqueio, a camada de hidratação pode ser distorcida ou parcialmente removida para superar a barreira de energia de entrada de íons, permitindo a intercalação de íons e, eventualmente, o transporte de íons permeáveis ​​além de um limiar de percolação.

O canal de grafeno em escala atômica era feito de um único floco de óxido de grafeno reduzido. Essa configuração tem a vantagem de estruturas de camada intactas para investigação de propriedade fundamental e também preserva grande flexibilidade para fabricação em escala no futuro.

A sequência de seleção de íons de metal alcalino através do transistor de íons em escala atômica foi considerada semelhante à dos canais biológicos de potássio. Isso também implica um mecanismo de controle semelhante aos sistemas biológicos, que combina desidratação de íons e interação eletrostática.

Este trabalho é um avanço fundamental no estudo do transporte de íons através de poros sólidos em escala atômica. A integração dos transistores de íons de escala atômica em redes de grande escala pode até tornar possível a produção de sistemas neurais artificiais estimulantes e até mesmo computadores semelhantes ao cérebro.