Впервые группа инженеров-химиков из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) наблюдала движение отдельного иона, проходящего через тончайший канал углеродной нанотрубки. Такие каналы могут быть использованы в качестве чрезвычайно чувствительных детекторов или как часть новой водоопреснительной системы, а также позволят ученым изучать химические реакции на уровне отдельных молекул.

Инженеры-химики МИТ создали тончайшие каналы из
углеродных нанотрубок – полых трубок, стенки
которых представляют собой решетки из атомов
углерода. Через такие каналы могут проплывать
маленькие частицы, например, ионы натрия и протоны.
(Graphic: Patrick Gillooly)

Углеродные нанотрубки – мельчайшие полые цилиндры, стенки которых представляют собой решетки из атомов углерода – примерно в 10000 раз тоньше человеческого волоса. Со времени их открытия около 20 лет назад ученые экспериментировали с ними как с аккумуляторами и транзисторами, сенсорами и солнечными батареями.

Статья об исследовании Coherence Resonance in a Single Walled Carbon Nanotube Ion Channel опубликована в журнале Nature.

В своей статье исследователи из МИТ, работавшие под руководством адъюнкт-профессора Майкла Страно (Michael Strano), сообщают, что заряженные молекулы, такие так ионы натрия и хлора, образующиеся при растворении в воде соли, не только могут быстро проплывать по нанотрубкам, но и, при определенных условиях, проплывать по ним по одной, как люди, соблюдающие очередь при переходе моста.

Новая система разрешает проход молекул гораздо меньшего размера на гораздо большие расстояния (до половины миллиметра), чем любые другие существующие наноканалы. В настоящее время наиболее часто изучаемые наноканалы – это кремниевые нанопоры, то есть отверстия в кремниевой мембране. Однако такие каналы намного короче, чем новые каналы из углеродных нанотрубок (нанотрубка примерно в 20000 раз длиннее). Поэтому они разрешают проход только больших молекул, таких как ДНК или полимеры – все, что меньше, будет проходить их слишком быстро, чтобы быть обнаруженным.

«С молекулярной точки зрения это исключительно большие расстояния. Это преодоление разрыва между нано и большим миром открывает возможности для использования наномасштабных явлений в макромасштабных приложениях – от очистки воды до нанофлюидных сетей, детекторов и топливных элементов», – считает Шехар Гардэ (Shekhar Garde), профессор химической инженерии Политехнического института Ренсселера (Rensselaer Polytechnic Institute), не принимавший участия в этом исследовании.

Страно и его соавторы – доктор философии Чанг Янг Ли (Chang Young Lee), аспирант Вонджун Чой (Wonjoon Choi) и научный сотрудник Дже-Хи Хан (Jae-Hee Han) – получили свой новый наноканал, вырастив нанотрубку вдоль пластины размером в 1 см2, соединяющей два резервуара с водой. В каждом из резервуаров находился электрод, один – положительный, другой – отрицательный. Так как электричество может течь только если протоны – положительно заряженные ионы водорода, из которых состоит электрический ток – могут перемещаться от одного электрода к другому, исследователи легко определяли, движутся ли по нанотрубке ионы.

Они обнаружили, что протоны действительно устойчиво перемещаются по нанотрубке, создавая электрический ток. Протоны свободно проходят через наноканал, так как они очень малы, но исследователи установили, что другие положительно заряженные ионы, такие как ионы натрия, также могут пройти через него, но только если к каналу приложено достаточное по силе электрическое поле. Ионы натрия намного больше, чем протоны, поэтому проход по каналу занимает у них больше времени. Проходя по нему, они блокируют поток протонов, что приводит к кратковременному прерыванию электрического тока, известному как эффект Коултера.

Страно считает, что каналы позволяют проходить по ним только положительно заряженным ионам, так как концы трубок имеют отрицательные заряды, притягивающие положительные ионы. Однако он планирует создать каналы, притягивающие отрицательные ионы, добавив к трубкам положительные заряды.

После того, как эти два типа каналов будут созданы, ученые надеются встроить их в мембрану, которая может быть использована для опреснения воды. Более 97 процентов воды на Земле находится в океанах, но этот огромный запас непригоден для питья, если из него не удалить соль. Существующие методы опреснения, дистилляция и обратный осмос, дороги и требует больших энергетических затрат. Поэтому мембрана с нанотрубками, позволяющими вытекать из воды как ионам натрия, так и ионам хлора, может стать более дешевым способом опреснения.

Исследование американских ученых впервые показало, что отдельные растворенные в воде ионы можно наблюдать при комнатной температуре. Это означает, что наноканалы могут обнаруживать примеси и загрязнения, такие как мышьяк и ртуть, в питьевой воде. Ионы могут быть определены по времени прохождения канала, зависящему от их размеров.

«Мы сможем обнаружить отдельный ион мышьяка, находящийся в растворе», – утверждает Страно.