Schéma du transistor ionique à l'échelle atomique constitué de canaux de graphène d'une taille de 3 angströms. Le potentiel électrique est appliqué pour imiter la charge électrique sur les parois des canaux biologiques et permet l'intercalation des ions et le transport des ions perméables au-delà d'un seuil de percolation. Crédit :Yahui Xue
Le cerveau humain est un vaste réseau de milliards de cellules biologiques appelées neurones qui déclenchent des signaux électriques qui traitent l'information, résultant dans nos sens et nos pensées. Les canaux ioniques à l'échelle atomique dans chaque membrane cellulaire neuronale jouent un rôle clé dans de telles décharges qui ouvrent et ferment le flux ionique dans une cellule individuelle par la tension électrique appliquée à travers la membrane cellulaire, agissant comme un "transistor biologique" similaire aux transistors électroniques dans les ordinateurs. Depuis des décennies, les scientifiques ont appris que les canaux ioniques biologiques sont des transistors de la vie capables de générer une perméation sélective extrêmement rapide et précise des ions à travers les filtres de sélectivité à l'échelle atomique pour maintenir les fonctions vitales vitales. Cependant, il reste à ce jour un grand défi de produire des structures artificielles pour imiter de tels systèmes biologiques pour une compréhension fondamentale et des applications pratiques.
Des chercheurs dirigés par le professeur Xiang Zhang, le Président de l'Université de Hong Kong (HKU), ont développé un transistor ionique à l'échelle atomique basé sur des canaux de graphène à déclenchement électrique d'environ 3 angströms de largeur qui ont démontré un transport ionique hautement sélectif. Ils ont également découvert que les ions se déplacent cent fois plus vite dans un si petit canal que dans l'eau en vrac.
Cette percée, récemment signalé dans Science , fournit non seulement une compréhension fondamentale du tamisage des ions rapides à l'échelle atomique, mais conduit également à un transport d'ions ultrarapide hautement commutable qui peut trouver des applications importantes dans les applications électrochimiques et biomédicales.
"Ce transistor ionique innovant démontre la commutation électrique du transport d'ions ultrarapide et simultanément sélectif à travers des canaux à l'échelle atomique comme les canaux ioniques biologiques fonctionnant dans notre cerveau, ", a déclaré le chercheur principal, le professeur Xiang Zhang. "Cela approfondit notre compréhension fondamentale du transport d'ions à une limite ultra-petite et aura un impact significatif sur des applications importantes telles que le dessalement de l'eau de mer et la dialyse médicale."
Le développement de canaux ioniques artificiels utilisant des structures de pores traditionnelles a été entravé par le compromis entre la perméabilité et la sélectivité pour le transport des ions. Les tailles de pores dépassant les diamètres des ions hydratés rendent la sélectivité ionique largement disparue. Une sélectivité élevée des ions métalliques monovalents peut être obtenue avec une dimension de canal contrôlée avec précision à l'échelle de l'angström. Cependant, ces canaux à l'échelle de l'angström empêchent de manière significative la diffusion rapide due à la résistance stérique pour que les ions hydratés pénètrent dans l'espace de canal plus étroit.
"Nous avons observé un transport d'ions sélectif ultrarapide à travers le canal de graphène à l'échelle atomique avec un coefficient de diffusion effectif aussi élevé que Deff 2,0 x 10 -7 m 2 /s." a déclaré l'auteur principal de l'étude Yahui Xue, un ancien chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Zhang. "Au meilleur de nos connaissances, il s'agit de la diffusion la plus rapide observée dans la perméation ionique axée sur la concentration à travers des membranes artificielles et dépasse même le coefficient de diffusion intrinsèque observé dans les canaux biologiques.
Des scientifiques de Hong Kong et de l'UC Berkeley ont d'abord utilisé la tension de grille pour contrôler le potentiel de surface des canaux de graphène et ont réalisé une densité de charge ultra-élevée à l'intérieur de ces canaux. Les charges voisines présentent une forte interaction électrostatique entre elles. Il en résulte un état d'équilibre de charge dynamique de sorte que l'insertion d'une charge à partir d'une extrémité du canal conduirait à l'éjection d'une autre à l'autre extrémité. Le mouvement de charge concerté qui en résulte améliore considérablement la vitesse et l'efficacité globales du transport.
"Nos mesures optiques in situ ont révélé une densité de charge aussi élevée que 1,8 x 10 14 /cm 2 à la plus grande tension de grille appliquée." a déclaré Yang Xia, un ancien Ph.D. étudiant dans le groupe du professeur Zhang. "C'est étonnamment élevé, et notre modélisation théorique du champ moyen suggère que le transport d'ions ultrarapide est attribué à un emballage très dense d'ions et à leur mouvement concerté à l'intérieur des canaux de graphène. »
Le transistor ionique à l'échelle atomique a également démontré une capacité de commutation supérieure, similaire à celui des canaux biologiques, provenant d'un comportement seuil induit par la barrière d'énergie critique pour l'insertion d'ions hydratés. La taille du canal plus petite que les diamètres d'hydratation des ions de métaux alcalins crée une barrière énergétique intrinsèque qui interdit l'entrée des ions dans la condition de circuit ouvert. En appliquant un potentiel électrique de déclenchement, la coque d'hydratation peut être déformée ou partiellement dépouillée pour surmonter la barrière énergétique d'entrée des ions, permettant l'intercalation des ions et éventuellement le transport des ions perméables au-delà d'un seuil de percolation.
Le canal de graphène à l'échelle atomique était constitué d'un seul flocon d'oxyde de graphène réduit. Cette configuration présente l'avantage de structures de couches intactes pour l'étude des propriétés fondamentales et préserve également une grande flexibilité pour la fabrication à plus grande échelle à l'avenir.
La séquence de sélection des ions de métaux alcalins à travers le transistor ionique à l'échelle atomique s'est avérée ressembler à celle des canaux potassiques biologiques. Cela implique également un mécanisme de contrôle similaire aux systèmes biologiques, qui combine déshydratation ionique et interaction électrostatique.
Ce travail est une percée fondamentale dans l'étude du transport des ions à travers les pores solides à l'échelle atomique. L'intégration des transistors ioniques à l'échelle atomique dans des réseaux à grande échelle peut même permettre de produire des systèmes neuronaux artificiels passionnants et même des ordinateurs de type cerveau.
