Следы металла позволяют синтетическим мембранам контролировать поток ионов, открывая путь для более интеллектуальной фильтрации и экстракции.
Ученые разработали настраиваемую систему, которая выборочно контролирует химический транспорт на атомном уровне, имитируя способность клеток контролировать собственные биологические мембраны.
Джон Зич/Чикагский университет
Что если бы ваш фильтр для воды мог думать как клетка, решая, что пропускать, что блокировать и когда это делать?
Именно к такой точности теперь приблизились ученые из Чикагского университета и Северо-Западного университета.
Подражая тому, как живые клетки контролируют поток ионов (заряженных частиц) через микроскопические туннели в своих мембранах, группа создала искусственную систему, которую можно настроить на усиление или подавление прохождения определенных ионов, подобно умной мембране с инстинктами, заимствованными из биологии.
Ионы осваивают новые трюки
Исследователи обнаружили, что добавление следовых количеств ионов металлов, таких как свинец, кобальт или барий, может кардинально изменить количество калия, проходящего через синтетический двумерный наноканал размером в ангстрем.
Увеличение концентрации ионов свинца всего на 1 процент удваивало поток калия не за счет его более интенсивного продвижения, а за счет замедления конкурирующих ионов ровно настолько, чтобы позволить калию соединиться с хлоридом, образовать нейтральное соединение и легче проходить.
«Самое интересное в нашем исследовании заключается в том, что мы показываем, насколько радикально может меняться транспорт ионов в двумерных каналах ангстремного масштаба в присутствии других ионов, даже в их малой доле», — сказал Минчжан Ван, соавтор исследования.
Эта способность переключаться между усилением и подавлением потока ионов путем простой регулировки ионной смеси приближает инженеров к созданию чувствительных мембран, которые действуют по требованию.
Такой контроль может кардинально изменить то, как мы удаляем токсины из воды, извлекаем ценные минералы, такие как литий, из рассола или даже управляем потоками в футуристической электронике на основе жидкостей.
В основе этого прорыва лежит небольшое, но мощное взаимодействие. Ионы несут электрические заряды — положительные или отрицательные — и, двигаясь по каналу, эти заряды взаимодействуют как со стенками туннеля, так и друг с другом.
Учёные обнаружили, что, связываясь с ацетатными группами, выстилающими стенки туннеля, ионы свинца тонко изменяют электростатическую среду. Это изменение замедляет отрицательно заряженные ионы хлора ровно настолько, чтобы они могли синхронизироваться с калием, образуя нейтральные пары хлорида калия, которые легче проходят через мембрану.
«Нет ничего заряженного, с чем она хотела бы взаимодействовать, и поэтому новая молекула может проходить быстрее, чем если бы два иона просто двигались по каналу по отдельности», — объяснил профессор химии Северо-Западного университета Джордж Шатц.
Мембраны обретают разум
Не менее интересно, что эффект может быть и обратным. Добавление кобальта или бария нарушает это спаривание, конкурируя со свинцом за места связывания, что снижает образование пар калия и хлорида калия.
«Изменив сочетание видов ионов, мы смогли перейти от кооперативного эффекта к ингибирующему», — сказал соавтор исследования Циньси Сюн. «И снова, понимание физических основ процесса крайне важно».
Для этого группа использовала специально созданную модель неравновесной молекулярной динамики, включающую ионно-индуцированные дипольные взаимодействия для моделирования того, что происходит в атомном масштабе.
«Мы разработали модель неравновесной молекулярной динамики, чтобы включить дипольное взаимодействие, индуцированное ионами, и смоделировать транспорт ионов через этот двумерный наноканал», — сказал Сюн. «Наши результаты хорошо согласуются с экспериментами, что говорит о том, что мы использовали верные физические принципы».
Транспорт калия замедляется — словно переключатель переключается из положения «открыто» в положение «закрыто». Это динамическая, управляемая система, которая отражает удивительную избирательность живых клеток.
Влияние этого исследования может выйти далеко за рамки лаборатории. Однажды мембраны смогут адаптироваться к загрязнению воды в режиме реального времени, удаляя только вредные ионы. Устройства смогут извлекать литий из морской воды с минимальными отходами.
В электронике, где ионы становятся строительными блоками жидкостных вычислений, программируемый поток ионов может открыть совершенно новые технологии.
Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
