Ils disent que ce sont les petites choses qui comptent, et cela est certainement vrai pour les canaux des protéines transmembranaires, qui sont suffisamment petits pour laisser passer des ions ou des molécules d'une certaine taille, tout en évitant les objets plus gros. Les nanocanaux fluidiques artificiels qui imitent les capacités des protéines transmembranaires sont très prisés pour un certain nombre de technologies avancées. Cependant, il a été difficile de créer des canaux artificiels individuels de cette taille – jusqu'à présent.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) ont pu fabriquer des nanocanaux d'une taille de seulement deux nanomètres (2 nm), en utilisant des procédés de fabrication de semi-conducteurs standard. Ils ont déjà utilisé ces nanocanaux pour découvrir que la mécanique des fluides pour des passages aussi petits est très différente non seulement des canaux de grande taille, mais même à partir de canaux qui ne mesurent que 10 nanomètres.

"Nous avons pu étudier le transport ionique dans nos nanocanaux de 2 nm en mesurant la dépendance en temps et en concentration de la conductance ionique, " dit Arun Majumdar, Directeur de l'Agence des projets de recherche avancée du DOE – Énergie (ARPA-E), qui a dirigé cette recherche alors qu'il était encore scientifique au Berkeley Lab. « Nous avons observé un taux beaucoup plus élevé de mobilité des protons et des ions dans nos canaux hydratés confinés - jusqu'à quatre fois plus élevé que dans les nanocanaux plus grands (10 à 100 nm). Ce transport de protons amélioré pourrait expliquer le débit élevé de protons dans la transmembrane. chaînes."

Majumdar est le co-auteur avec Chuanhua Duan, membre du groupe de recherche de Majumdar à l'Université de Californie (UC) Berkeley, d'un article sur ce travail, qui a été publié dans la revue Nature Nanotechnologie . L'article s'intitule "Transport anormal d'ions dans des nanocanaux hydrophiles de 2 nm".

Dans leur papier, Majumdar et Duan décrivent une technique dans laquelle une gravure ionique de haute précision est combinée à une liaison anodique pour fabriquer des canaux d'une taille et d'une géométrie spécifiques sur une matrice de silicium sur verre. Pour éviter que le canal ne s'effondre sous les fortes forces électrostatiques du processus de liaison anodique, une couche d'oxyde épaisse (500 nm) a été déposée sur le substrat de verre.

"Cette étape de dépôt et l'étape de collage suivante ont garanti une étanchéité réussie du canal sans effondrement, " dit Duan. " Nous devions aussi choisir la bonne température, tension et période de temps pour assurer une liaison parfaite. Je compare le processus à la cuisson d'un steak, vous devez choisir le bon assaisonnement ainsi que le bon moment et la bonne température. Le dépôt de la couche d'oxyde était le bon assaisonnement pour nous."

Les canaux de taille nanométrique dans les protéines transmembranaires sont essentiels pour contrôler le flux d'ions et de molécules à travers les parois externes et internes d'une cellule biologique, lequel, à son tour, sont essentiels à de nombreux processus biologiques qui soutiennent la cellule. Comme leurs homologues biologiques, les nanocanaux fluidiques pourraient jouer un rôle essentiel dans l'avenir des piles à combustible et des batteries.

"Le transport d'ions amélioré améliore la densité de puissance et la densité d'énergie pratique des piles à combustible et des batteries, " dit Duan. "Bien que la densité énergétique théorique dans les piles à combustible et les batteries soit déterminée par les matériaux électrochimiques actifs, la densité d'énergie pratique est toujours beaucoup plus faible en raison de la perte d'énergie interne et de l'utilisation de composants inactifs. Un transport ionique amélioré pourrait réduire la résistance interne des piles à combustible et des batteries, ce qui réduirait la perte d'énergie interne et augmenterait la densité énergétique pratique."

Les découvertes de Duan et Majumdar indiquent que le transport des ions pourrait être considérablement amélioré dans les nanostructures hydrophiles de 2 nm en raison de leurs confinements géométriques et de leurs densités de charge de surface élevées. Par exemple, Duan cite le séparateur, le composant placé entre la cathode et l'anode dans les batteries et les piles à combustible pour empêcher le contact physique des électrodes tout en permettant le transport ionique libre.

« Les séparateurs actuels sont pour la plupart des couches microporeuses constituées soit d'une membrane polymère, soit d'un tapis en tissu non tissé, " dit Duan. " Une membrane inorganique intégrée avec un réseau de nanocanaux hydrophiles de 2 nm pourrait être utilisée pour remplacer les séparateurs actuels et améliorer la puissance et la densité énergétique pratiques. "

Les nanocanaux de 2 nm sont également prometteurs pour des applications biologiques car ils ont le potentiel d'être utilisés pour contrôler et manipuler directement des solutions physiologiques. Les dispositifs nanofluidiques actuels utilisent des canaux de 10 à 100 nm pour séparer et manipuler les biomolécules. En raison de problèmes d'interactions électrostatiques, ces canaux plus larges peuvent fonctionner avec des solutions artificielles mais pas avec des solutions physiologiques naturelles.

"Pour les solutions physiologiques avec des concentrations ioniques typiques d'environ 100 millimolaires, la longueur de tramage Debye est de 1 nm, " dit Duan. " Étant donné que les doubles couches électriques des surfaces à deux canaux se chevauchent dans nos nanocanaux de 2 nm, toutes les applications biologiques actuelles trouvées dans des nanocanaux plus grands peuvent être transférées vers des nanocanaux de 2 nm pour de vrais milieux physiologiques. »

La prochaine étape pour les chercheurs sera d'étudier le transport d'ions et de molécules dans des nanotubes hydrophiles encore plus petits que 2 nm. Le transport des ions devrait être encore amélioré par la géométrie plus petite et la force d'hydratation plus forte.

"Je développe une membrane inorganique avec un réseau de nanotubes hydrophiles de moins de 2 nm qui sera utilisé pour étudier le transport des ions dans les électrolytes aqueux et organiques, dit Duan. « Il sera également développé comme un nouveau type de séparateur pour les batteries lithium-ion. »