Une seule chaîne de molécules d'eau tapisse la cavité à l'intérieur d'une porine de nanotube de carbone, qui est noyé dans une bicouche lipidique. Crédit :Y. Zhang et Alex Noy/LLNL.
Pour la première fois, Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont montré que des nanotubes de carbone aussi petits que huit dixièmes de nanomètre de diamètre peuvent transporter des protons plus rapidement que l'eau en vrac, par un ordre de grandeur.
La recherche valide un mécanisme de transport de protons vieux de 200 ans.
Un nanomètre est un milliardième de mètre. Par comparaison, le diamètre d'un cheveu humain est de 20, 000 nanomètres.
Les vitesses de transport dans ces pores de nanotubes, qui forment des fils d'eau unidimensionnels, dépassent également celles des canaux biologiques et des conducteurs de protons artificiels, faisant des nanotubes de carbone le conducteur de protons connu le plus rapide. La recherche apparaît dans l'édition en ligne avancée du 4 avril de la revue Nature Nanotechnologie .
Les applications pratiques incluent les membranes échangeuses de protons, la signalisation à base de protons dans les systèmes biologiques et le domaine émergent de la bioélectronique des protons (protonique).
« Ce qui est bien avec nos résultats, c'est que nous avons découvert que lorsque vous pressez de l'eau dans le nanotube, les protons se déplacent dans cette eau encore plus rapidement que dans l'eau normale (en vrac), " dit Alexandre Noy, un biophysicien LLNL et un auteur principal de l'article. (L'eau en vrac est similaire à ce que vous trouveriez dans une tasse d'eau qui est beaucoup plus grande que la taille d'une seule molécule d'eau).
L'idée que les protons se déplacent rapidement dans les solutions en sautant le long de chaînes de molécules d'eau à liaison hydrogène remonte à 200 ans aux travaux de Theodore von Grotthuss et reste toujours le fondement de la compréhension scientifique du transport des protons. Dans la nouvelle recherche, Les chercheurs du LLNL ont utilisé des pores de nanotubes de carbone pour aligner les molécules d'eau en chaînes unidimensionnelles parfaites et ont montré qu'ils permettent aux taux de transport de protons d'approcher les limites ultimes du mécanisme de transport de Grotthuss.
« La possibilité d'obtenir un transport rapide des protons en modifiant le degré de confinement de l'eau est passionnante, " Noy a dit. " Jusqu'à présent, les conducteurs de protons artificiels, comme le polymère Nafion, utiliser un principe différent pour améliorer le transport des protons. Nous avons imité la façon dont les systèmes biologiques améliorent le transport des protons, l'a poussé à l'extrême, et maintenant notre système réalise la limite ultime de la conductivité des protons dans un nanopore."
De tous les matériaux synthétiques, les pores intérieurs hydrophobes étroits des nanotubes de carbone (CNT) sont les plus prometteurs pour fournir le niveau de confinement et les interactions faibles avec les molécules d'eau qui facilitent la formation de chaînes d'eau à liaison hydrogène unidimensionnelles qui améliorent le transport des protons.
Des simulations de dynamique moléculaire antérieures ont montré que l'eau dans des nanotubes de carbone de 0,8 nm de diamètre créerait de tels fils d'eau et ont prédit que ces canaux présenteraient des taux de transport de protons beaucoup plus rapides que ceux de l'eau en vrac. Ramya Tunuguntla, chercheur postdoctoral LLNL et premier auteur de l'article, a déclaré qu'en dépit d'efforts importants dans les études sur le transport des nanotubes de carbone, ces prédictions se sont avérées difficiles à valider, principalement en raison des difficultés à créer des pores de NTC de diamètre inférieur à 1 nm.
Cependant, l'équipe de Lawrence Livermore et des collègues du Lawrence Berkeley National Lab et de l'UC Berkeley ont pu créer un système expérimental simple et polyvalent pour étudier le transport dans les pores ultra-étroits des NTC. Ils ont utilisé des porines de nanotubes de carbone (CNTP), une technologie qu'ils ont développée plus tôt à LLNL, qui utilise des nanotubes de carbone intégrés dans la membrane lipidique pour imiter la fonctionnalité des canaux ioniques biologiques. La percée clé a été la création de porines de nanotubes d'un diamètre inférieur à 1 nm, qui a permis aux chercheurs pour la première fois de réaliser un véritable confinement d'eau unidimensionnel.
