Mechanisch geactiveerd ionentransport over eencijferige koolstofnanobuisjes

Nanofluidics, het veld dat nanoschaalstromen bestudeert, heeft de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang geboekt. Het veld bloeit dankzij de ontwikkeling van nieuwe materialen, met name nanobuizen en 2D-materialen, die het mogelijk maken om goed gecontroleerde nanofluïdische apparaten te fabriceren die geschikt zijn voor onderzoek naar nanofluïdische eigenschappen tot op de kleinste schaal.

Ondanks de vele nieuwe gedragingen die in de kunstmatige nano-kanalen worden gemeld, zijn ze nog ver verwijderd van de indrukwekkende complexiteit van de biologische machinerie. De natuur doet kleine dingen met ionen en vloeistoffen op kleine schaal, en op een zeer efficiënte manier: men zou bijvoorbeeld kunnen verwijzen naar geactiveerd transport, ionisch pompen, informatieopslag, enz. Inspiratie halen uit sommige van deze functionaliteiten om ze te reproduceren in kunstmatige apparaten zouden een grote sprong voorwaarts zijn om iontronics te ontwikkelen.

Veel biologische apparaten vertonen geactiveerde reacties onder verschillende stimuli, en een dergelijk gedrag zijn de mechano-transductiekanalen die bijvoorbeeld betrokken zijn bij aanraakdetectie of oorhaarcellen. In dit artikel laten we zien dat kleine (enkelcijferige) koolstofnanobuisjes, met een straal van 2 nm, een mechano-gevoelige respons vertonen, die bovendien erg lijkt op die van hun biologische tegenhanger, waarbij de geleiding van de CNT een sterke en kwadratische afhankelijkheid van de uitgeoefende druk.

We kunnen dit gedrag zelfs theoretisch rationaliseren met een analytische voorspelling voor de drukafhankelijke geleiding. Dit toont overigens aan dat de mechano-gevoelige respons zijn oorsprong vindt in de ultralage wrijving die wordt vertoond door koolstofnanobuisjes met de kleinste afmeting. Dit demonstreert het verdere unieke karakter van koolstofnanobuisjesmaterialen als water- en ionentransporters. We benutten hier zijn unieke eigenschappen om niet-lineair, gestimuleerd transport te induceren.

Dit fenomeen opent nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van geavanceerde iontronische functies in de toekomst. Het gedemonstreerde gedrag vormt een voorwaarde voor het bouwen van geïntegreerde nanofluïdische systemen, en een dergelijke mechano-gevoelige respons is een bouwsteen om aanraking en waarneming te ontwikkelen op nanoschalen geïnspireerd door biologische systemen.