Нановорота управляются напряжением для контроля прохождения молекул

Исследователи из Университета Осаки разработали нановорота, которые можно открывать и закрывать с помощью электрического напряжения. Поведение системы зависит от материалов в растворах по обе стороны мембраны и приложенного напряжения, что делает её перспективной для различных применений, включая сенсорику и управление химическими реакциями.

Работа опубликована в Nature Communications.

Система состояла из единственной нанопоры в мембране из нитрида кремния. Мембрана была помещена в проточную ячейку на чипе, и растворы подавались с обеих её сторон.

Учёные прикладывали напряжение к ячейке через электроды на чипе и измеряли возникающий ионный ток, отражающий транспорт ионов через пору. Этот ток был чувствителен к ионам в растворах по обе стороны мембраны, что позволяло точно контролировать поток ионов и связанное с ним осаждение или растворение соединений металлов в поре.

Изменение диаметра поры в результате осаждения (закрывающего нановорота) или растворения (открывающего их) приводило к различным типам ионного транспорта.

«Осаждение происходило и закрывало пору при отрицательном напряжении, уменьшая ионный ток, — говорит ведущий автор Макусу Цуцуи. — Смена полярности напряжения вызывала растворение осадка и повторное открытие поры».

При определённых условиях образование осадка, блокирующего пору, привело к рекордному на сегодняшний день для нанофлюидных устройств коэффициенту выпрямления — мере способности ионов двигаться преимущественно в одном направлении.

Помимо работы в качестве выпрямителя, система также демонстрировала мемристорное поведение: наблюдался эффект памяти во взаимосвязи тока и напряжения. Последовательное осаждение и растворение материалов в поре приводило к этому эффекту.

Кроме того, регулируя реакции в поре, можно было детектировать биомолекулы. Это было продемонстрировано на примере ДНК: система выдавала чёткие сигналы при прохождении отдельных молекул ДНК через пору.

«Возможность тонко контролировать размер поры с помощью приложенного напряжения позволит адаптировать поры под конкретные аналиты непосредственно перед измерениями, — объясняет старший автор Томодзи Каваи. — Мы также ожидаем, что наш подход можно будет использовать для создания реакционных систем, позволяющих получать новые химические соединения».

Использование мембраны с единственной управляемой порой в нанофлюидных электрохимических устройствах — это универсальный подход, который можно адаптировать для конкретных применений, включая сенсорику, химические реакции и нейроморфные вычисления.