Η μελέτη αποκαλύπτει πώς τα νανοκάνελ επιλέγουν ιόντα καλίου

Μια πρόσφατη μελέτη έχει ρίξει φως στον τρόπο με τον οποίο τα νανοσναλλέδια μεταφέρουν επιλεκτικά ιόντα καλίου, ενώ παράλληλα αποκλείουν άλλα ιόντα. Αυτή η θεμελιώδη κατανόηση της επιλεκτικότητας των ιόντων θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για την ανάπτυξη προηγμένων συσκευών που βασίζονται σε νανοπόρια για διάφορες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της καθαρισμού του νερού, της ανίχνευσης βιομόρων και της μετατροπής ενέργειας.

Τα νανοχανέλ είναι πόροι ή κανάλια νανοκλίμακας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της κίνησης των ιόντων και των μορίων. Έχουν προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον για τομείς όπως η νανοτεχνολογία, η χημεία και η βιολογία λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους και των πιθανών εφαρμογών τους. Ωστόσο, η κατανόηση των μηχανισμών πίσω από την επιλεκτική μεταφορά συγκεκριμένων ιόντων μέσω νανοκάνελ παραμένει ένα δύσκολο έργο.

Σε αυτή τη μελέτη, ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τόκιο και του Κέντρου Αειφόρου Επιστημών των Πόρων Riken διερεύνησαν την επιλεκτικότητα των νανοκαναλιών που σχηματίζονται από αυτοσυναρμολογημένα κυκλικά πεπτίδια. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής και υπολογισμούς ελεύθερης ενέργειας, εξέτασαν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιόντων καλίου και των τοιχωμάτων νανοκανέλ και τα συγκρίνουν με άλλα ιόντα αλκαλικών μετάλλων (λίθιο, νάτριο, ρουβίδιο και καίσο).

Οι προσομοιώσεις αποκάλυψαν ότι το nanochannel παρουσιάζει ισχυρή προτίμηση για ιόντα καλίου σε σχέση με άλλα ιόντα αλκαλικών μετάλλων. Αυτή η επιλεκτικότητα αποδίδεται κυρίως στις συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιόντων καλίου και των ατόμων οξυγόνου στην εσωτερική επιφάνεια του νανοκανέλ. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι ισχυρότερες για τα ιόντα καλίου σε σύγκριση με άλλα ιόντα αλκαλικών μετάλλων λόγω του κατάλληλου μεγέθους και της αντιστοίχισης πυκνότητας φορτίου μεταξύ των ιόντων καλίου και του nanochannel.

Επιπλέον, η μελέτη διαπίστωσε ότι το nanochannel μπορεί να διακρίνει αποτελεσματικά μεταξύ των ιόντων καλίου και άλλων ιόντων αλκαλικών μετάλλων ακόμη και παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων άλλων ιόντων. Αυτή η αξιοσημείωτη επιλεκτικότητα αποδίδεται στο συνεταιριστικό αποτέλεσμα πολλαπλών ατόμων οξυγόνου εντός του νανοκαναλίου, τα οποία συμβάλλουν συλλογικά στη δέσμευση και τη μεταφορά ιόντων καλίου.

Οι ερευνητές διερεύνησαν επίσης τις επιδράσεις του μεγέθους του νανοκαναλίου και της εφαρμοσμένης τάσης στην επιλεκτικότητα των ιόντων. Διαπίστωσαν ότι η επιλεκτικότητα των ιόντων γίνεται πιο έντονη καθώς μειώνεται το μέγεθος του νανοκαναλίου και μπορεί να ενισχυθεί περαιτέρω εφαρμόζοντας μια κατάλληλη μεροληψία τάσης σε ολόκληρο το νανοκάνιο.

Τα ευρήματα αυτής της μελέτης παρέχουν πολύτιμες γνώσεις σχετικά με τους μηχανισμούς μεταφοράς ιόντων των nanochannels και υπογραμμίζουν τις δυνατότητές τους για επιλεκτική μεταφορά ιόντων και διαχωρισμού. Η θεμελιώδη κατανόηση που αποκτήθηκε από αυτή την έρευνα μπορεί να καθοδηγήσει τον ορθολογικό σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των νανοκανέλ για διάφορες εφαρμογές, όπως οι μεμβράνες διαχωρισμού ιόντων, οι βιοαισθητήρες και τα ενεργειακά αποδοτικά συστήματα αφαλάτωσης.

Με τον χειρισμό των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ιόντων και των τοιχωμάτων νανοκάνη, είναι δυνατόν να επιτευχθεί εξαιρετικά επιλεκτική μεταφορά συγκεκριμένων ιόντων, οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν σε ένα ευρύ φάσμα τεχνολογικών προόδων και να συμβάλλουν στην αντιμετώπιση των παγκόσμιων προκλήσεων που σχετίζονται με τη έλλειψη νερού, την κατανάλωση ενέργειας και την περιβαλλοντική βιωσιμότητα.