Ионные каналы – это микроскопические шлюзы в живых организмах, контролирующие перемещение заряженных частиц. Эти узкие пути жизненно важны для множества биологических процессов, а их самые тесные участки могут достигать всего нескольких ангстрем в поперечнике – примерно ширины одного атома. Воспроизведение таких крошечных структур с высокой точностью и стабильностью долгое время оставалось одной из самых сложных задач в области нанотехнологий.
Недавно исследователи из Университета Осаки совершили значительный прорыв в этом направлении. В своей статье, опубликованной в журнале «Nature Communications», команда описала, как они использовали миниатюрный электрохимический реактор для создания пор, размеры которых приближаются к субнанометровым значениям. Ученые создали своего рода искусственный ионный канал, взяв за основу природные аналоги, которые представляют собой белковые структуры, способные открываться и закрываться в ответ на внешние сигналы.
Вдохновившись природным механизмом, исследователи разработали его твердотельную версию. Сначала они создали нанопору в мембране из нитрида кремния, которая затем послужила крошечной реакционной камерой для формирования еще более мелких пор внутри нее. Когда к мембране прикладывали отрицательное напряжение, внутри нанопоры запускалась химическая реакция. В результате образовывался твердый осадок, который постепенно расширялся, пока полностью не блокировал отверстие. Изменение полярности напряжения на противоположную приводило к растворению осадка, восстанавливая проводящие пути.
«Нам удалось повторить этот процесс открытия и закрытия сотни раз в течение нескольких часов, – объясняет ведущий автор исследования Макусу Цуцуи. – Это демонстрирует, что данная схема реакции является надежной и контролируемой». Для анализа происходящего внутри мембраны ученые отслеживали ионный ток, проходящий через нее. Они зафиксировали резкие всплески тока, напоминающие сигналы, наблюдаемые в биологических ионных каналах, что указывало на формирование множества субнанометровых пор.
Команда также обнаружила, что может точно настраивать поведение создаваемых пор. Изменяя химический состав и pH реакционных растворов, они смогли варьировать как размер, так и свойства сверхмалых отверстий. «Это позволило нам добиться избирательного транспорта ионов разного размера через мембрану путем настройки пор», – сообщает старший автор работы Томодзи Каваи. Эта технология открывает новые пути для изучения движения ионов и жидкостей в экстремально ограниченных пространствах, а также имеет огромный потенциал для таких областей, как секвенирование ДНК, нейроморфные вычисления и создание нанореакторов.
