Het verkleinen van ionische transistors tot de uiterste limiet

Het menselijk brein is een enorm netwerk van miljarden biologische cellen, neuronen genaamd, die elektrische signalen afvuren die informatie verwerken, resulterend in onze zintuigen en gedachten. De ionenkanalen van atomaire schaal in elk neuroncelmembraan spelen een sleutelrol bij dergelijke afvuren die de ionenstroom in een individuele cel openen en sluiten door de elektrische spanning die over het celmembraan wordt aangelegd, en fungeert als een ‘biologische transistor’ vergelijkbaar met elektronische transistors. in computers. Al decennia lang hebben wetenschappers geleerd dat biologische ionenkanalen de transistors van het leven zijn die in staat zijn om extreem snelle en nauwkeurig selectieve permeatie van ionen door de selectiviteitsfilters op atomaire schaal te sturen om vitale levensfuncties te behouden. Het blijft echter tot op heden een grote uitdaging om kunstmatige structuren te produceren om dergelijke biologische systemen na te bootsen voor fundamenteel begrip en praktische toepassingen.

Onderzoekers onder leiding van professor Xiang Zhang, de president van de Universiteit van Hong Kong (HKU), hebben een iontransistor op atomaire schaal ontwikkeld op basis van elektrisch gated grafeenkanalen met een breedte van ongeveer 3 Angström die een zeer selectief ionentransport lieten zien. Ze ontdekten ook dat ionen honderd keer sneller bewegen in zo’n klein kanaaltje dan in bulkwater.

Deze doorbraak werd onlangs gerapporteerd in Wetenschap, biedt niet alleen fundamenteel inzicht in het snel zeven van ionen op atomaire schaal, maar leidt ook tot zeer schakelbaar ultrasnel ionentransport dat belangrijke toepassingen kan vinden in elektrochemische en biomedische toepassingen.

“Deze innovatieve ionentransistor demonstreert elektrisch schakelen van ultrasnel en gelijktijdig selectief ionentransport door kanalen op atomaire schaal, zoals biologische ionenkanalen die functioneren in onze hersenen”, zei hoofdonderzoeker professor Xiang Zhang. “Het verdiept ons fundamentele begrip van ionentransport op zeer kleine limieten en zal een aanzienlijke invloed hebben op belangrijke toepassingen zoals ontzilting van zeewater en medische dialyse.”

De ontwikkeling van kunstmatige ionenkanalen met traditionele poriestructuren wordt belemmerd door de wisselwerking tussen permeabiliteit en selectiviteit voor ionentransport. Door poriegroottes die de diameters van gehydrateerde ionen overschrijden, is de ionenselectiviteit grotendeels verdwenen. Verhoogde selectiviteit van eenwaardige metaalionen kan worden bereikt met nauwkeurig gecontroleerde kanaalafmetingen op de Angström-schaal. Deze kanalen op Angstrom-schaal sluiten echter significant de snelle diffusie uit vanwege de sterische weerstand voor gehydrateerde ionen om een ​​smallere kanaalruimte binnen te gaan.

“We hebben ultrasnel selectief ionentransport door het grafeenkanaal op atomaire schaal waargenomen met een effectieve diffusiecoëfficiënt zo hoog als Deff ≈ 2,0 x 10^-7 m²/ s. “zei hoofdauteur Yahui Xue, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in de groep van professor Zhang.” Voor zover wij weten, is dit de snelste diffusie die wordt waargenomen bij concentratiegestuurde ionenpermeatie door kunstmatige membranen en overtreft zelfs de intrinsieke diffusiecoëfficiënt waargenomen in biologische kanalen. “

Wetenschappers uit Hong Kong en UC Berkeley gebruikten voor het eerst poortspanning om het oppervlaktepotentiaal van grafeenkanalen te regelen en realiseerden een ultrahoge dichtheid van ladingspakking in deze kanalen. De naburige ladingen vertonen een sterke elektrostatische interactie met elkaar. Dit resulteert in een dynamische evenwichtstoestand van de lading, zodat het inbrengen van een lading vanaf het ene uiteinde van het kanaal zou leiden tot het uitwerpen van een andere aan het andere uiteinde. De resulterende gecoördineerde ladingsbeweging verbetert de algehele transportsnelheid en efficiëntie aanzienlijk.

“Onze in situ optische metingen lieten een ladingsdichtheid zien van wel 1,8 x 10¹⁴ /cm² bij de grootste toegepaste poortspanning. “zei Yang Xia, een voormalig Ph.D. student in de groep van professor Zhang.” Het is verrassend hoog, en onze gemiddelde veldtheoretische modellering suggereert dat het ultrasnelle ionentransport wordt toegeschreven aan een zeer dichte pakking van ionen en hun gezamenlijke beweging binnen de grafeenkanalen. “

De ionentransistor op atomaire schaal heeft ook een superieur schakelvermogen getoond, vergelijkbaar met dat in biologische kanalen, afkomstig van een drempelgedrag dat wordt geïnduceerd door de kritische energiebarrière voor het inbrengen van gehydrateerde ionen. De kleinere kanaalgrootte dan de hydratatiediameters van alkalimetaalionen creëert een intrinsieke energiebarrière die het binnendringen van ionen in de open circuittoestand verbiedt. Door een elektrisch poortpotentiaal toe te passen, kan de hydratatieschil worden vervormd of gedeeltelijk worden gestreept om de energiebarrière van ioneninvoer te overwinnen, waardoor ionenintercalatie en uiteindelijk permeabel ionentransport mogelijk is voorbij een percolatiedrempel.

Het grafeenkanaal op atomaire schaal was gemaakt van een enkele vlok gereduceerd grafeenoxide. Deze configuratie heeft het voordeel van intacte laagstructuren voor fundamenteel eigendomsonderzoek en behoudt ook een grote flexibiliteit voor het opschalen van fabricage in de toekomst.

De selectievolgorde van alkalimetaalionen door de iontransistor op atomaire schaal bleek te lijken op die van biologische kaliumkanalen. Dit impliceert ook een controlemechanisme vergelijkbaar met biologische systemen, dat ionenuitdroging en elektrostatische interactie combineert.

Dit werk is een fundamentele doorbraak in de studie van ionentransport door vaste poriën op atomaire schaal. De integratie van de iontransistors op atomaire schaal in grootschalige netwerken kan het zelfs mogelijk maken om opwindende kunstmatige neurale systemen en zelfs hersenachtige computers te produceren.