Diagramme schématique montrant le processus de dissipation de la chaleur ionique dans un nanopore (à gauche). Un thermomètre à l'échelle nanométrique intégré sur un côté du nanopore pour détecter les changements de température locaux causés par le transport ionique commandé par la tension (à droite). Crédit :© 2022 M. Tsutsui et al., Dissipation thermique ionique dans les pores à l'état solide. Avancées scientifiques
Des scientifiques de SANKEN (l'Institut de recherche scientifique et industrielle) de l'Université d'Osaka ont mesuré les effets thermiques du flux ionique à travers un nanopore à l'aide d'un thermocouple. Ils ont constaté que dans la plupart des conditions, le courant et la puissance de chauffage variaient avec la tension appliquée, comme le prévoyait la loi d'Ohm. Ces travaux pourraient conduire à des capteurs à l'échelle nanométrique plus avancés.
Les nanopores, qui sont de minuscules ouvertures dans une membrane si petite qu'un seul brin d'ADN ou une particule virale peut passer à travers, constituent une nouvelle plate-forme passionnante pour la construction de capteurs. Souvent, une tension électrique est appliquée entre les deux côtés de la membrane pour aspirer la substance à analyser à travers le nanopore. Dans le même temps, les ions chargés dans la solution peuvent être transportés, mais leur effet sur la température n'a pas été largement étudié. Une mesure directe des effets thermiques causés par ces ions peut aider à rendre les nanopores plus pratiques en tant que capteurs.
Maintenant, une équipe de chercheurs de l'Université d'Osaka a créé un thermocouple composé de nanofils d'or et de platine avec un point de contact de seulement 100 nm qui servait de thermomètre. Il a été utilisé pour mesurer la température directement à côté d'un nanopore découpé dans un film de 40 nm d'épaisseur suspendu sur une plaquette de silicium.
L'échauffement par effet Joule se produit lorsque l'énergie électrique est convertie en chaleur par la résistance d'un fil. Cet effet se produit dans les grille-pain et les cuisinières électriques et peut être considéré comme une diffusion inélastique par les électrons lorsqu'ils entrent en collision avec les noyaux du fil. Dans le cas d'un nanopore, les scientifiques ont découvert que l'énergie thermique était dissipée proportionnellement à la quantité de mouvement du flux ionique, ce qui est conforme aux prédictions de la loi d'Ohm. Lors de l'étude d'un nanopore de 300 nm, les chercheurs ont enregistré le courant ionique d'une solution saline tamponnée au phosphate en fonction de la tension appliquée. "Nous avons démontré un comportement presque ohmique dans une large gamme de conditions expérimentales", déclare le premier auteur Makusu Tsutsui.
Avec des nanopores plus petits, l'effet de chauffage est devenu plus prononcé, car moins de fluide du côté le plus froid pouvait passer pour égaliser la température. De ce fait, l'échauffement pourrait provoquer un effet non négligeable, les nanopores subissant une élévation de température de quelques degrés dans des conditions de fonctionnement standard. "Nous nous attendons au développement de nouveaux capteurs à nanopores capables non seulement d'identifier les virus, mais aussi de les désactiver en même temps", a déclaré l'auteur principal Tomoji Kawai. Les chercheurs ont proposé d'autres situations dans lesquelles le chauffage peut être bénéfique, par exemple pour éviter que le nanopore ne soit obstrué par un polymère ou pour séparer les brins d'ADN en cours de séquençage.
L'article "Ionic heat dissipation in solid-state pores" est publié dans Science Advances . Extraction et détection in situ de l'ADN à l'aide de nanopores
