Јонски канали су мали отвори који контролишу кретање наелектрисаних честица у живим организмима. Ови уски путеви су неопходни за многе биолошке функције. У неким случајевима, њихови најужи делови мере само неколико ангстрема у пречнику, отприлике ширину појединачних атома. Репродукција овако малих структура са прецизношћу и доследношћу остаје један од најтежих изазова у нанотехнологији.
Истраживачи са Универзитета у Осаки су сада направили велики корак ка том циљу. Уписивање Натуре Цоммуницатионстим описује како су користили минијатурни електрохемијски реактор за производњу пора које се приближавају субнанометарским димензијама.
Опонашање електричних капија природе
Унутар ћелија, јони путују кроз специјализоване протеинске канале уграђене у ћелијску мембрану. Ово кретање јона генерише електричне сигнале, укључујући нервне импулсе одговорне за контракцију мишића. Канали су изграђени од протеина и садрже изузетно уске регионе на ангстром скали. Када су изложени спољним сигналима, ови протеини мењају облик, што омогућава каналима да се отворе или затворе.
Црпећи инспирацију из овог природног система, истраживачи су дизајнирали верзију у чврстом стању која је способна да формира поре скоро мале као биолошки јонски канали. Почели су стварањем нанопора у мембрани од силицијум нитрида. Та нанопора је тада деловала као сићушна реакциона комора за изградњу још мањих пора у њој.
Када је тим применио негативан напон на мембрану, покренуо је хемијску реакцију унутар нанопоре. Ова реакција је произвела чврсти талог који се постепено ширио све док није потпуно блокирао отвор. Преокретање напона довело је до растварања талога, враћајући проводне путеве кроз поре.
„Успели смо да поновимо овај процес отварања и затварања стотине пута током неколико сати“, објашњава главни аутор Макусу Цуцуи. „Ово показује да је реакциона шема робусна и подложна контроли.“
Електрични шиљци откривају поднанометарске поре
Да би боље разумели шта се дешава унутар мембране, истраживачи су пратили јонску струју која пролази кроз њу. Приметили су оштре шиљке у струји, сличне обрасцима који се виде у биолошким јонским каналима. Даља анализа је показала да су ови сигнали најконзистентнији са формирањем бројних субнанометарских пора унутар оригиналне нанопоре.
Тим је такође открио да могу фино подесити како се поре понашају. Прилагођавајући хемијски састав и пХ раствора реактаната, они су променили и величину и својства ултра малих отвора.
„Успели смо да променимо понашање и ефективну величину ултрамалих пора променом састава и пХ раствора реактаната“, извештава Томоји Каваи, старији аутор. „Ово је омогућило селективни транспорт јона различитих ефективних величина кроз мембрану подешавањем ултра малих величина пора.“
Примене у секвенцирању ДНК и неуроморфном рачунарству
Овај хемијски вођен приступ омогућава стварање више ултрамалих пора унутар једне нанопоре. Техника нуди нови начин да се проучава како се јони и течности крећу кроз изузетно ограничене просторе у размерама упоредивим са живим системима.
Осим фундаменталних истраживања, технологија би могла да подржи нова поља као што је сенсинг једног молекула (нпр. коришћење нанопора за секвенционирање ДНК), неуроморфно рачунарство (користећи електричне шиљке за опонашање понашања биолошких неурона) и нанореактори (стварање јединствених услова реакције кроз затварање).
