Verrassend ionisch en stromingsgedrag met gefunctionaliseerde nanokanalen

(links) Schematische voorstelling van het met PE-penseel geënte nanokanaalsysteem. (rechts) Omkering van de stroom met toegepaste elektrische veldsterkte. Krediet: TH Pial et al., ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021 / acsnano.0c09248

Nanokanalen hebben belangrijke toepassingen in de biogeneeskunde, detectie en vele andere gebieden. Hoewel ingenieurs die werkzaam zijn op het gebied van nanotechnologie deze kleine, buisachtige structuren al jaren fabriceren, is er nog veel onbekend over hun eigenschappen en gedrag.

Nu hebben Siddhartha Das, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Maryland en een groep van zijn Ph.D. studenten hebben verrassende nieuwe bevindingen in het tijdschrift gepubliceerd ACS Nano​ Met behulp van simulaties op atomair niveau konden Das en zijn team aantonen dat zowel ladingseigenschappen als ladingsgeïnduceerde vloeistofstroom binnen een gefunctionaliseerd nanokanaal zich niet altijd gedraagt ​​zoals verwacht.

“We hebben een nieuwe context ontdekt voor nanokanalen die zijn gefunctionaliseerd door hun binnenwanden te enten met geladen polymeermoleculen (ook bekend als polyelektrolyten of PE’s),” zei Das, verwijzend naar het proces waarbij polymeren of andere stoffen op het nanokanaal worden geënt om het om op een bepaalde manier te functioneren. “De functionalisering van nanokanalen is niet nieuw. Maar we hebben een paradigmaverschuiving ontdekt in termen van begrip van het gedrag en de eigenschappen van dergelijke systemen in de context van hun ladingseigenschappen en hun vermogen om de vloeistofstroom te reguleren.

‘We hebben bijvoorbeeld,’ zei Das, ‘een nieuw type stromingsgedrag ontdekt in dergelijke gefunctionaliseerde nanokanalen; door de grootte van het elektrische veld dat op een nanokanaal wordt toegepast te vergroten, wordt de richting van deze door een elektrisch veld aangedreven stroming (vaak bekend als elektro-osmotische stroom) kan worden omgekeerd. “

Het artikel van Das en zijn studenten beschrijft drie specifieke ontdekkingen. Ten eerste toonden ze aan dat, wanneer polyelektrolyten (PE’s) in de vorm van een laag op de binnenwand van het nanokanaal worden geënt, deze PE-laag onder bepaalde omstandigheden een verrassende omkering van elektrische lading zal ondergaan. Normaal gesproken, als negatieve PE-moleculen aan het nanokanaal zijn gehecht, zou de nabijgelegen PE-laag een netto negatieve lading moeten hebben. Das en zijn studenten identificeerden echter situaties waarin de lading wordt omgekeerd en de netto lading binnen de laag positief is vanwege de aantrekking van meer aantal positieve ionen (dan nodig is om de lading van de PE-laag af te schermen) binnen de laag – dit fenomeen staat bekend als “overscreening”.

Het team onderzocht vervolgens hoe deze overscreening de door externe elektrische velden aangedreven stroom (bekend als de elektro-osmotische of EOS-stroom) in het nanokanaal beïnvloedt. Ze ontdekten verrassend genoeg dat in dergelijke situaties de stroom wordt aangedreven door ionen met dezelfde lading als de Pes die op de kanaalwanden zijn geënt; dus een negatief geladen polymeer creëert een netto positief veld in zijn omgeving, maar de stroom wordt aangedreven door de negatieve ionen.

“We noemen dit ‘door co-ion aangedreven elektro-osmose’, en onze paper markeert de eerste keer dat dit fenomeen is geïdentificeerd,” zei Das.

Ten slotte demonstreerde het team de onverwachte resultaten van het verhogen van de omvang van het elektrische veld: de PE-moleculen die aan het nanokanaal zijn bevestigd, worden vervormd en de ionen die de overscreening veroorzaakten, begonnen uit de PE-laag te ontsnappen. Hierdoor stopt de overscreening en keert ook de stroomrichting in het kanaal om: als het bijvoorbeeld van links naar rechts bewoog, schakelt het over naar rechts-links. ‘Niemand heeft dit voorspeld,’ zei Das.

De bevindingen zijn significant, zei Das, omdat veel van de interesse in nanokanalen te maken heeft met hun vermogen om moleculen te transporteren. “Omdat flow zo belangrijk is, stelt een nieuwe ontdekking op dit gebied ons in staat om voort te bouwen op ons begrip van hoe nanokanalen werken en wat we ermee kunnen doen”, zei Das. “Er zijn andere methoden om de stroming om te keren, maar tot nu toe was het niet bekend dat we dit kunnen bereiken door de veldsterkte te vergroten.”