Трансмембранные белки играют важную роль во многих биологических процессах, например при переносе глюкозы (пассивный транспорт) или Na+/K+ обмене, для поддержания неравновесного распределения ионов натрия и калия между цитоплазмой клетки и окружающей средой (активный транспорт). Это обстоятельство побудило ученых в 60-ых годах XX века начать активные исследования ионного и молекулярного транспорта через наноразмерные каналы, которые затем cтали основой нового раздела гидродинамики – нанофлюидики.

При этом особый интерес представляет исследование течения жидкости в таких узких капиллярах, в которых «перекрываются» двойные электрические слои. Как это скажется на проводимости и подвижности ионов в растворе? Для ответа на этот вопрос коллектив американских ученых собрал устройство (рис.1), в котором размер «гидрофильных» наноканалов составил 2 нм (из расчета, что концентрация ионов в растворе составляет 100 мМ, что характерно для физиологических растворов).

Рис. 1. а),b) Схематическое изображение устройства, состоящего из 2 микроканалов, 10 наноканалов и 4 резервуаров. c) Схематическое изображение трех наноканалов. d),e) АСМ-изображения трех наноканалов после поверхностного окисления.

Для начала авторы статьи измерили проводимость растворов в зависимости от концентрации ионов (рис.2). Анализируя полученные зависимости, можно выделить два участка: ниже концентрации 10–3 М на графике наблюдается плато, причем проводимости различных растворов (KCl, NaCl и HCl) практически одинаковы и близки к проводимости деионизированной воды. При более высоких концентрациях можно наблюдать линейный рост проводимости, близкий к наблюдаемому в объемных жидкостях. Иными словами, при низких концентрациях проводимость в основном контролируется поверхностным зарядом, в то время как при более высоких концентрациях определяющим фактором становится концентрация ионов в растворе.

Рис. 2. Зависимость проводимости от концентрации ионов. Точками обозначены значения для наноразмерной жидкости, линиями – для объемной жидкости.

Затем исследователи измерили подвижности катионов в нанокапиллярах и сравнили ее с таковой в объемных жидкостях (рис.3). Выяснилось, что в зависимости от концентрации подвижность ионов в нанокапиллярах выше в 3,5–4 раза по сравнению с объемными жидкостями. Исследователи объясняют это тем, что в 1-нм слое вблизи поверхности кремния вода более «структурирована», чем в объеме, поэтому перескоки протонов от одной молекулы воды к другой (механизм Гроттуса) протекают быстрее. Что же касается ионов калия и натрия, то авторы статьи не пришли к единственно правильному объяснению. Одним из предложенных объяснений является возможное отсутствие гидратной оболочки у ионов, что увеличивает подвижность ионов, однако это предположение не объясняет изменение подвижности ионов во всех диапазонах концентраций {Прим. ред.: … и выглядит странным с точки зрения нормального химика}.

Рис. 3. Зависимость подвижности ионов в наноструктурированной жидкости относительно подвижности в объемной жидкости от концентрации ионов.