Nano kanalların biyotıp, algılama ve diğer birçok alanda önemli uygulamaları vardır. Nanoteknoloji alanında çalışan mühendisler yıllardır bu küçük, tüp benzeri yapıları imal ediyor olsalar da, özellikleri ve davranışları hakkında pek çok şey bilinmiyor.
Maryland Üniversitesi Makine Mühendisliği Doçenti Siddhartha Das ve öğrencileri ACS Nano dergisinde şaşırtıcı yeni bulgular yayınladılar. Araştırmacı Das ve ekibi, atom düzeyinde simülasyonlar kullanarak işlevselleştirilmiş bir nano kanal içindeki yük özelliklerinin yanı sıra yüke bağlı sıvı akışının her zaman beklendiği gibi davranmadığını gösterdi.
Araştırmacı Das: “İç duvarlarını yüklü polimer molekülleri (polielektrolitler veya PE’ler olarak da bilinir) ile aşılayarak işlevsel hale getirilen nano kanallar için yeni bir bağlam keşfettik. Nano kanalların işlevselleştirilmesi yeni değil. Ancak, bu tür sistemlerin davranışlarını ve özelliklerini, yük özellikleri ve sıvı akışını düzenleme yetenekleri bağlamında anlama açısından bir paradigma değişimi bulduk. Örneğin, bu tür işlevselleştirilmiş nano kanallarda yeni bir akış davranışı türü keşfettik; bir nano kanala uygulanan elektrik alanının büyüklüğünü artırarak, bu elektrik alan güdümlü akışın yönü (genellikle elektroozmotik akış olarak bilinir) tersine çevrilebilir. “
Araştırmacı Das ve öğrencilerinin hazırladığı makale, üç özel keşfi detaylandırıyor. İlk olarak, polielektrolitler (PE’ler) nano kanalın iç duvarına bir katman şeklinde aşılandıklarında, bu PE katmanının belirli koşullar altında şaşırtıcı bir elektrik yükünün tersine döneceğini gösterdiler. Normalde, negatif PE molekülleri nano kanala bağlanmışsa, yakındaki PE tabakasının net bir negatif yükü olmalıdır. Bununla birlikte Das ve öğrencileri, yükün tersine döndüğü ve katman içindeki net yükün, katman içindeki daha fazla sayıda pozitif iyonun (PE katmanının yükünü taramak için gerekenden daha fazla) çekmesi nedeniyle pozitif olduğu durumları belirledi. Bu fenomen “aşırı tarama” olarak bilinir.
Ekip daha sonra bu aşırı taramanın nanokanal içindeki harici elektrik alan tahrikli akışı (elektroozmotik veya EOS akışı olarak bilinir) nasıl etkilediğini araştırdı. Şaşırtıcı bir şekilde, bu tür durumlarda akışın kanal duvarlarına aşılanan Pes ile aynı yüke sahip iyonlar tarafından yönlendirildiğini buldular; bu nedenle, negatif yüklü bir polimer, çevresinde net bir pozitif alan yaratır, ancak akış, negatif iyonlar tarafından yönlendirilir.
Araştırmacı Das: “Buna ‘ko-iyon tahrikli elektro-ozmoz’ diyoruz ve çalışmamız bu fenomenin ilk kez tespit edildiğini gösteriyor.”
Son olarak ekip, elektrik alanın büyüklüğünün artmasının beklenmedik sonuçlarını gösterdi: Nano kanala bağlı PE molekülleri deforme olur ve aşırı tarama örneğine neden olan iyonlar PE katmanından kaçmaya başlar. Bu, aşırı taramanın durmasına neden olur ve ayrıca kanaldaki akış yönünü tersine çevirir: örneğin soldan sağa hareket ediyorsa, sağdan sola geçer.
Araştırmacı Das, bulguların önemli olduğunu, çünkü nano kanallara olan ilginin çoğunun molekülleri taşıma yetenekleriyle ilgili olduğunu söyledi. Das’a göre akış çok önemli olduğundan, bu alandaki yeni bir keşif, nano kanalların nasıl çalıştığı ve onlarla neler yapılabileceği konusundaki anlayışı geliştirmeye olanak tanıyor.
Araştırmacı Das: “Akışı tersine çevirmenin başka yöntemleri de var, ancak şimdiye kadar bunu alan gücünü artırarak başarabileceğimiz bilinmiyordu.”