La surface d'une seule cellule contient des centaines de minuscules pores, ou canaux ioniques, dont chacun est un portail pour des ions spécifiques. Les canaux ioniques ont généralement une largeur d'environ 1 nanomètre; en maintenant le bon équilibre des ions, ils gardent les cellules saines et stables.

Aujourd'hui, des chercheurs du MIT ont créé de minuscules pores dans des feuilles uniques de graphène qui présentent un éventail de préférences et de caractéristiques similaires à celles des canaux ioniques des cellules vivantes.

Chaque pore de graphène mesure moins de 2 nanomètres de large, ce qui en fait l'un des plus petits pores à travers lesquels les scientifiques ont jamais étudié le flux d'ions. Chacun est également particulièrement sélectif, préférant transporter certains ions plutôt que d'autres à travers la couche de graphène.

"Ce que nous voyons, c'est qu'il y a beaucoup de diversité dans les propriétés de transport de ces pores, ce qui signifie qu'il existe un grand potentiel pour adapter ces pores à différentes applications ou sélectivités, " dit Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique au MIT.

Karnik dit que les nanopores de graphène pourraient être utiles comme capteurs, par exemple, détecter les ions de mercure, potassium, ou du fluorure en solution. De telles membranes sélectives d'ions peuvent également être utiles dans l'exploitation minière :à l'avenir, il peut être possible de fabriquer des nanopores de graphène capables de tamiser des traces d'ions d'or à partir d'autres ions métalliques, comme l'argent et l'aluminium.

Karnik et l'ancien étudiant diplômé Tarun Jain, avec Benjamin Rasera, Ricardo Guerrero, Michel Boutilier, et Sean O'Hern du MIT et Juan-Carlos Idrobo du Oak Ridge National Laboratory, publient aujourd'hui leurs résultats dans la revue Nature Nanotechnologie .

Personnalité dynamique

Dans les cellules vivantes, la diversité des canaux ioniques peut provenir de la taille et de la disposition atomique précise des canaux, qui sont légèrement plus petits que les ions qui les traversent.

"Lorsque les nanopores deviennent plus petits que la taille hydratée de l'ion, alors vous commencez à voir émerger des comportements intéressants, " dit Jain.

En particulier, ions hydratés, ou des ions en solution, sont entourés d'une enveloppe de molécules d'eau qui adhèrent à l'ion, en fonction de sa charge électrique. Le fait qu'un ion hydraté puisse se faufiler à travers un canal ionique donné dépend de la taille et de la configuration de ce canal à l'échelle atomique.

Karnik a estimé que le graphène serait un matériau approprié pour créer des canaux ioniques artificiels :une feuille de graphène est un réseau ultramince d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, les pores du graphène sont donc définis à l'échelle atomique.

Pour créer des pores dans le graphène, le groupe a utilisé le dépôt chimique en phase vapeur, un processus généralement utilisé pour produire des films minces. Dans le graphène, le processus crée naturellement de minuscules défauts. Les chercheurs ont utilisé le processus pour générer des pores de taille nanométrique dans diverses feuilles de graphène, qui ressemblait à du fromage suisse ultrafin.

Les chercheurs ont ensuite isolé les pores individuels en plaçant chaque feuille de graphène sur une couche de nitrure de silicium qui avait été perforée par un faisceau d'ions, dont le diamètre est légèrement inférieur à l'espacement entre les pores de graphène. Le groupe a estimé que tous les ions circulant à travers la configuration à deux couches seraient probablement passés d'abord à travers un seul pore de graphène, puis à travers le plus grand trou de nitrure de silicium.

Le groupe a mesuré les flux de cinq ions sels différents à travers plusieurs configurations de feuille de graphène en appliquant une tension et en mesurant le courant circulant à travers les pores. Les mesures courant-tension variaient considérablement d'un pore à l'autre, et d'ion en ion, avec certains pores restant stables, tandis que d'autres oscillaient dans les deux sens en termes de conductance, ce qui indique que les pores étaient différents dans leurs préférences pour laisser passer certains ions.

"L'image qui se dégage est que chaque pore est différent et que les pores sont dynamiques, " dit Karnik. "Chaque pore commence à développer sa propre personnalité."

Nouvelle frontière

Karnik et Jain ont ensuite développé un modèle pour interpréter les mesures, et l'a utilisé pour traduire les mesures de l'expérience en estimations de la taille des pores. Sur la base du modèle, ils ont constaté que le diamètre de la plupart des pores était inférieur à 1 nanomètre, ce qui, compte tenu de l'épaisseur d'un seul atome du graphène, en fait l'un des plus petits pores à travers lesquels les scientifiques ont étudié le flux d'ions.

Avec le modèle, le groupe a calculé l'effet de divers facteurs sur le comportement des pores, et a constaté que le comportement observé des pores était capturé par trois caractéristiques principales :la taille d'un pore, sa charge électrique, et la position de cette charge le long d'un pore.

Sachant cela, les chercheurs pourraient un jour être en mesure d'adapter les pores à l'échelle nanométrique pour créer des membranes spécifiques aux ions pour des applications telles que la détection environnementale et l'extraction de métaux traces.

"C'est une sorte de nouvelle frontière dans les technologies membranaires, et pour comprendre le transport à travers ces très petits pores dans les matériaux ultrafins, " dit Karnik.