Nanogaat gebruikt spanning om de doorgang van de molecuul door kleine porie te regelen

Een samenwerking onder leiding van onderzoekers van de universiteit van Osaka heeft een nanogaat ontwikkeld dat kan worden geopend of gesloten door elektriciteit toe te passen. Het nanogaat toont verschillende gedragingen, afhankelijk van de materialen in de oplossingen aan beide zijden van de poort en de toegepaste spanning, waardoor het aantrekkelijk is voor verschillende toepassingen, waaronder detectie en gecontroleerde chemische reacties.

Het werk is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Het nanogaat bestond uit een enkele kleine porie die werd gevormd in een siliciumnitridemembraan. Het membraan werd geplaatst in een stroomcel gevormd op een chip en oplossingen werden geïntroduceerd aan beide zijden van het membraan.

De onderzoekers brachten spanning toe op de stroomcel via elektroden op de chip en maten de resulterende ionische stroom, die het transport van ionen door de porie weerspiegelde. De ionische stroom was gevoelig voor de ionen in de oplossingen aan beide zijden van het membraan; Aldus kan de stroom van ionen en de resulterende neerslag of oplossing van metaalverbindingen in de porie nauwkeurig worden geregeld.

De verandering van de poriediameter als gevolg van neerslag (die het nanogaat sloot) of oplossing (die het nanogaat opende) leidde tot verschillende soorten ionentransport.

“Precipitaten groeiden en sloten de porie onder negatieve spanning, waardoor de ionische stroom afneemt”, zegt hoofdauteur van de studie, Makusu Tsutsui. “Het omkeren van de spanningspolariteit zorgde ervoor dat de neerslag oplost, waardoor de porie werd heropend.”

Onder bepaalde omstandigheden resulteerde de vorming van een neerslag dat de porie blokkeerde, in de hoogste rectificatieverhouding, wat een maat is voor de neiging van ionen om slechts in één richting te reizen, tot op heden bereikt voor een nanofluïdisch apparaat.

Naast het fungeren als een gelijkrichter, kan het systeem zich ook als een memristor gedragen; Dat wil zeggen, een geheugeneffect werd waargenomen in zijn relatie tussen stroom en spanning. De opeenvolgende neerslag en oplossing van materialen in de porie leidde tot dit memristieve gedrag.

Bovendien konden in-poriële reacties worden gereguleerd om biomolecuuldetectie mogelijk te maken. Dit werd aangetoond met behulp van DNA. Het systeem vertoonde verschillende uitgangssignalen terwijl individuele DNA -moleculen door de porie bewogen.

“De mogelijkheid om de poriegrootte fijn te regelen met behulp van toegepaste spanning moet het mogelijk maken om poriën te laten afgestemd op specifieke analyten, direct voordat ze metingen uitvoeren”, legt senior auteur Tomoji Kawai uit. “We verwachten ook dat onze aanpak kan worden gebruikt om reactiesystemen te ontwikkelen om toegang te krijgen tot nieuwe chemische verbindingen.”

Het gebruik van een membraan met een enkele gecontroleerde porie in nanofluïdische elektrochemische apparaten is een veelzijdige benadering die kan worden aangepast voor specifieke toepassingen, waaronder detectie, chemische reacties en neuromorf computing.