Учёные создали новый тип ионных каналов | Популярный Университет

Учёные создали новый тип ионных каналов

Американские исследователи продемонстрировали исчезновение капиллярных сил в наноканалах глубиной 10 нм и создали на основе этого эффекта новый тип ионных каналов.

Американские исследователи продемонстрировали исчезновение капиллярных сил в наноканалах глубиной 10 нм и создали на основе этого эффекта новый тип ионных каналов. Устройство может найти множество применений, в том числе в доставке лекарств, разделении молекул и др. Исследование опубликовано в ACS Applied Nano Materials.

Капилляры и капиллярные явления играют важную роль в природе и технике. С ними мы сталкиваемся каждый день. Губки, тряпки и салфетки впитывают жидкость из-за наличия в них капилляров — очень узких каналов, пор. Благодаря капиллярам в растениях осуществляется доставка воды и питательных веществ от корней до листьев. Кровеносная система человека содержит огромное количество капилляров — микроскопических сосудов, также выполняющих функции по переносу питательных веществ.

Капилляры имеют такое большое значение, потому что поведение жидкостей в капиллярах — узких каналах — несколько отличается от их поведения в объемных сосудах. Причина тому — силы поверхностного натяжения, из-за которых на границе раздела жидкость-газ поверхность жидкости в капилляре искривляется и образуется мениск. Это искривление приводит к появлению дополнительного давления на жидкость — капиллярного давления. Если жидкость смачивает стенки капилляра, это дополнительное давление заставляет жидкость всасываться в капилляр и проходить по нему.

Величина капиллярных сил обратно пропорциональна радиусу самого капилляра. Чем тоньше канал — тем больше возникающая сила и наоборот. Вот почему капиллярные силы заметны только в очень тонких сосудах. Однако американские исследователи обнаружили, что для некоторых жидкостей капиллярные силы исчезают, если размеры канала не превышают 10 нм.

На поверхности кремния исследователи создали множество каналов одинаковой длины и ширины (500 мкм и 5 мкм соответственно), но различной глубины (от 10 до 500 нм). Они соединяли между собой два больших резервуара (4 мм х 4 мм х 20 мкм). Сверху эти каналы запечатали слоем боросиликатного стекла.

Изучение капиллярных явлений проводили для изопропанола и этанола. Жидкость помещали в один резервуар на поверхности кремния и контролировали её перемещение по каналам тремя независимыми методами. Оптическая и флуоресцентная микроскопия наглядно показали, что в случае каналов глубиной 40 и 20 нм жидкость полностью проходит по ним. В то же время поток жидкости в 10-нм канале отсутствует вовсе. Изучение вольтамперной характеристики системы также показало, что в каналах глубиной 10 нм присутствует исключительно газовая фаза.

Изображения каналов, полученные с помощью оптической и флуоресцентной микроскопии
Изображения каналов различной глубины, полученные при помощи оптической (a-c) и флуоресцентной (d-f) микроскопии, и распространение жидкости в них.

Аналогичное поведение учёные наблюдали и для ряда растворов изопропанол-вода и этанол-вода. При этом отсутствие капиллярных сил в 10-нм каналах было отмечено только в растворах с небольшими значениями поверхностного натяжения. В случае же деионизированной воды (обладающей более высоким поверхностным натяжением, чем спирты) — наоборот, исчезновения капиллярных сил не обнаружили. Другими словами, исчезновение капиллярных сил сильно зависит от значения поверхностного натяжения жидкости.

Причины такого поведения авторы видят в очень быстром и сильном понижении давления пара над жидкостью в капилляре. Известно, что увеличение кривизны поверхности над вогнутым мениском приводит к уменьшению давления паров жидкости над ней (уравнение Кельвина). Однако существует предел давления, ниже которого жидкость существовать не может и самопроизвольно переходит в пар. Исследователи показали, что для исследованных растворов понижение давления паров в 10-нм капилляре действительно превышает установленный предел. Как следствие, жидкость в капилляре не устойчива, а сам канал заполнен паром.

Подобные наблюдения уже были отмечены рядом авторов, однако американские исследователи продемонстрировали, как можно использовать это явление на практике. Они предложили новый тип управляемых каналов, по которым можно транспортировать ионы или молекулы. Учёные взяли за основу описанную систему с резервуарами и 10-нм наноканалами на подложке из кремния. В качестве жидкой среды использовали систему этанол-вода в соотношении 1:1. Один резервуар наполнили раствором NaCl (KCl), а другой — чистой жидкостью, за электропроводностью которой следили.

Схематическое изображение экспериментальной установки по изучению новых ионных каналов
Схематическое изображение экспериментальной установки по изучению новых ионных каналов. В левом резервуаре — раствор соли, в правом — чистый растворитель, электропроводность которого измеряют.

В процессе эксперимента постепенно снижали температуру устройства от комнатной температуры. Как отмечалось выше, эффект исчезновения капиллярных сил зависит от поверхностного натяжения жидкости. Уменьшая температуру, авторы тем самым постепенно увеличивали поверхностное натяжение жидкости в устройстве. Электропроводность жидкости во втором резервуаре по мере охлаждения оставалась приблизительно постоянной (канал закрыт), однако по достижению 8 °C резко увеличивалась (открытие канала). При последующем нагревании электропроводность снова стабилизировалась. Таким образом, можно открывать и закрывать наноканал, изменяя поверхностное натяжение жидкости. Большое поверхностное натяжение — канал открыт, маленькое — канал закрыт. В данном случае авторы добивались этого изменением температуры.

Как отмечают авторы, подобное устройство обещает найти множество применений — например, в адресной доставке лекарств к очагу заболевания, разделении молекул, преобразовании энергии и во многих других областях.

Автор: Максим Мазурин
Редактор: Анастасия Воротникова

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: