Um estudo recente esclareceu como os nanocanais transportam seletivamente íons de potássio, excluindo outros íons. Esta compreensão fundamental da seletividade iônica poderia abrir caminho para o desenvolvimento de dispositivos avançados baseados em nanoporos para uma variedade de aplicações, incluindo purificação de água, detecção de biomoléculas e conversão de energia.

Nanocanais são poros ou canais em nanoescala que podem ser usados ​​para controlar o movimento de íons e moléculas. Eles atraíram interesse considerável em áreas como nanotecnologia, química e biologia devido às suas propriedades únicas e aplicações potenciais. No entanto, compreender os mecanismos por trás do transporte seletivo de íons específicos através de nanocanais continua sendo uma tarefa desafiadora.

Neste estudo, pesquisadores da Universidade de Tóquio e do Centro RIKEN para Ciência de Recursos Sustentáveis ​​investigaram a seletividade iônica de nanocanais formados por peptídeos cíclicos automontados. Usando simulações de dinâmica molecular e cálculos de energia livre, eles examinaram as interações entre os íons de potássio e as paredes dos nanocanais e as compararam com outros íons de metais alcalinos (lítio, sódio, rubídio e césio).

As simulações revelaram que o nanocanal exibe uma forte preferência por íons de potássio em relação a outros íons de metais alcalinos. Esta seletividade é atribuída principalmente às interações específicas entre os íons de potássio e os átomos de oxigênio na superfície interna do nanocanal. Essas interações são mais fortes para os íons de potássio em comparação com outros íons de metais alcalinos devido ao tamanho apropriado e à correspondência de densidade de carga entre os íons de potássio e o nanocanal.

Além disso, o estudo descobriu que o nanocanal pode discriminar efetivamente entre íons de potássio e outros íons de metais alcalinos, mesmo na presença de altas concentrações de outros íons. Esta notável seletividade é atribuída ao efeito cooperativo de múltiplos átomos de oxigênio dentro do nanocanal, que contribuem coletivamente para a ligação e transporte de íons de potássio.

Os pesquisadores também investigaram os efeitos do tamanho dos nanocanais e da tensão aplicada na seletividade iônica. Eles descobriram que a seletividade iônica se torna mais pronunciada à medida que o tamanho do nanocanal diminui, e pode ser ainda melhorada pela aplicação de um viés de tensão apropriado através do nanocanal.

As descobertas deste estudo fornecem informações valiosas sobre os mecanismos de transporte de íons dos nanocanais e destacam seu potencial para transporte e separação seletiva de íons. A compreensão fundamental obtida com esta pesquisa pode orientar o projeto racional e a otimização de nanocanais para diversas aplicações, como membranas de separação de íons, biossensores e sistemas de dessalinização com eficiência energética.

Ao manipular as interações entre os íons e as paredes dos nanocanais, é possível obter um transporte altamente seletivo de íons específicos, que pode ser explorado em uma ampla gama de avanços tecnológicos e contribuir para enfrentar os desafios globais relacionados à escassez de água, ao consumo de energia e ao meio ambiente. sustentabilidade.