Artistieke weergave van een ion-watercluster die met hoge snelheid door een koolstofnanobuiskanaal reist. De vorming van ion-waterclusters in koolstofnanobuizen met een kleine diameter is verantwoordelijk voor de abnormaal hoge elektroforetische mobiliteit van ionen in deze kanalen en uiteindelijk voor de sterke afbraak van de Nernst-Einstein-relatie in dit systeem. Krediet: Ella Maru Studio.
Als het gaat om het bestuderen van bewegende deeltjes, hebben experimentatoren een 100 jaar oude theorie gevolgd die beweert dat de microscopische beweging van een deeltje wordt bepaald door willekeurige botsingen met moleculen van het omringende medium, ongeacht de macroscopische krachten die die beweging aandrijven.
Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en het Massachusetts Institute of Technology hebben ontdekt dat deze beroemde vloeistofdynamische relatie, ontdekt door Walter Nernst en Albert Einstein in het begin van de 20e eeuw, volledig uiteenvalt onder sterke ruimtelijke opsluiting in koolstofnanobuisporiën . Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.
In 1888 stelde Nernst een universele relatie voor tussen de mobiliteit van een geladen deeltje en zijn diffusiecoëfficiënt. De microscopische oorsprong van deze relatie werd in 1905 onthuld door Einstein, tijdens zijn annus mirabilis-periode, die zijn hoogtepunt bereikte met zijn werk over de Brownse beweging. De NE-relatie, zoals deze bekend is, is een essentiële bouwsteen van verschillende belangrijke theorieën over ionentransport.
Ingesloten micro- en nano-omgevingen, zoals porinen van koolstofnanobuisjes, kunnen de NE-relatie testen, omdat opsluiting de mobiliteit van ionen kan beperken, nabijheidseffecten kan versterken, interacties tussen deeltjes en oppervlak kan verbeteren en ongebruikelijke structurering van vloeistoffen op lange afstand kan forceren, die allemaal van invloed zijn op de deeltjesbeweging.
In het nieuwe werk testte het team de validiteit van de NE-relatie door het transport van kalium (K) ionen in koolstofnanobuisporines (CNTP’s) met een diameter van 0,8 nm te onderzoeken. CNTP’s zijn 10 nm lange segmenten van lipide-gestabiliseerde enkelwandige CNT’s die in fosfolipidemembranen worden ingebracht om goed gedefinieerde transmembraanporiën met sterke positieve ionenselectiviteit te vormen.
“De extreme ruimtelijke opsluiting in deze poriën belemmert de diffusie van K+ ionen sterk verminderen, waardoor de diffusiecoëfficiënt met drie ordes van grootte wordt verlaagd ten opzichte van de bulkwaarde, “zei LLNL-wetenschapper Alex Noy, co-hoofdauteur van het artikel. “Verrassend genoeg heeft dezelfde opsluiting een verwaarloosbaar effect op de elektroforetische mobiliteit, wat leidt tot een volledige uitsplitsing van de NE-relatie.”
Moleculaire dynamica-simulaties met behulp van volledig atomistische polariseerbare krachtvelden onthulden dat bij afwezigheid van een elektrisch veld de waterketen met één bestand in de CNTP de diffusie van K belemmerde.+ ionen via de CNTP. Onder een aangelegd elektrisch veld breekt de waterketen met één bestand echter af en vormt verschillende ion-waterclusters, die de CNT’s met veel hogere snelheden doorkruisen.
“Deze twee fundamenteel verschillende microscopische mechanismen zijn uiteindelijk verantwoordelijk voor de afbraak van de NE-relatie in smalle CNTP’s”, zegt David Blankschtein, co-lead auteur van MIT.
Meer informatie:
Zhongwu Li et al, Uitsplitsing van de Nernst-Einstein-relatie in porinen van koolstofnanobuisjes, Natuur Nanotechnologie (2022). DOI: 10.1038/s41565-022-01276-0
Tijdschrift informatie:
Natuur Nanotechnologie
Geleverd door Lawrence Livermore National Laboratory
