(Phys.org) -- Les scientifiques ont surmonté des obstacles de conception clés pour étendre les utilisations potentielles des nanopores et des nanotubes. La création de nanotubes intelligents à transport de masse sélectif ouvre un plus large éventail d'applications pour la purification de l'eau, séparation chimique et lutte contre les maladies.

Nanopores et leur version enroulée, nanotubes, se composent d'atomes liés les uns aux autres dans un motif hexagonal pour créer un réseau d'ouvertures ou de canaux à l'échelle nanométrique. Cette structure crée un filtre qui peut être dimensionné pour sélectionner les molécules et les ions qui passent dans l'eau potable ou dans une cellule. La même technique de filtration permet de limiter le rejet de sous-produits chimiques issus des procédés industriels.

Des succès dans la fabrication de nanotubes synthétiques à partir de divers matériaux ont été rapportés précédemment, mais leur utilisation a été limitée car ils se dégradent dans l'eau, la taille des pores des nanotubes de carbone résistants à l'eau est difficile à contrôler, et, plus critique, l'incapacité de les assembler dans des filtres appropriés.

Une équipe internationale de chercheurs, avec l'aide de la source avancée de photons du laboratoire national d'Argonne, ont réussi à surmonter ces obstacles en construisant des auto-assemblages, nanopores de taille spécifique. Cette nouvelle capacité leur permet de concevoir des nanotubes pour des fonctions spécifiques et d'utiliser la taille des pores pour bloquer sélectivement des molécules et des ions spécifiques.

Les scientifiques ont utilisé des groupements d'atomes appelés macrocycles striés qui partagent un noyau planaire d'hexahénylène éthynylène qui porte six chaînes latérales amide. Grâce à un processus d'auto-assemblage cellulaire, les macrocycles s'empilent cofacialement, ou atome sur atome. Chaque couche du macrocycle est maintenue ensemble par la liaison entre les atomes d'hydrogène dans les chaînes latérales d'amide. Cet alignement crée une taille de pores uniforme quelle que soit la longueur du nanotube. Un léger désalignement, même de quelques macrocycles, peut altérer la taille des pores et compromettre grandement la fonctionnalité du nanotube.

"C'est le premier nanotube synthétique qui a un diamètre très uniforme, " a déclaré Xiao Cheng Zeng, l'un des auteurs principaux de l'étude et professeur émérite à l'Université du Nebraska-Lincoln.

Les tailles de pores peuvent être ajustées pour filtrer les molécules et les ions en fonction de leur taille en modifiant la taille des macrocycles, semblable à la façon dont un espace peut être mis dans une alliance pour le rendre plus serré. Les canaux sont perméables à l'eau, qui facilite la transmission rapide des informations intercellulaires. Les nanopores synthétiques imitent l'activité des canaux ioniques cellulaires utilisés dans le corps humain. La recherche jette les bases d'un éventail de nouvelles technologies passionnantes, comme de nouvelles façons d'administrer directement dans les cellules des protéines ou des médicaments pour lutter contre les maladies.

« L'idée de cette recherche est née du monde biologique, de notre espoir d'imiter les structures biologiques, et nous avons été ravis des résultats, " a déclaré Bing Gong, professeur à l'Université de Buffalo à New York, qui a dirigé l'étude. "Nous avons créé le premier canal d'eau synthétique confirmé quantitativement."

"Pores subnanométriques auto-assemblés avec des propriétés de transport de masse inhabituelles" paraît le 17 juillet dans le journal Communication Nature .

« C'est la première démonstration d'ingénierie moléculaire pour créer un réseau de nanotubes de taille de pores uniforme qui permet un transport sélectif des ions pour une fonction spécifique, " a déclaré Zhonghou Cai, un scientifique avec la source avancée de photons. Un faisceau de rayons X à haute énergie provenant d'une source lumineuse, comme l'APS, était le seul moyen de confirmer les simulations informatiques et de tester l'uniformité du nanotube synthétisé couche par couche. "Vous ne travaillez pas souvent sur quelque chose d'aussi excitant."