Forskare vid The University of Osaka har utvecklat ultrasmå porer i kiselkväve-membran som närmar sig skalan hos naturliga jonkanaler. Dessa strukturer möjliggör upprepad öppning och stängning genom spänningskontrollerade kemiska reaktioner. Framstegen kan underlätta DNA-sekvensering och neuromorfa beräkningar.
Jonkanaler i levande organismer är smala proteinkonstruktioner som reglerar flödet av laddade partiklar, essentiella för funktioner som nervimpulser. Deras smalaste sektioner spänner över bara några ångström, jämförbara med atom bredder. Att replikera sådan precision har utmanat nanoteknikexperter. Ett team ledd av Makusu Tsutsui och Tomoji Kawai vid The University of Osaka tog sig an detta genom att tillverka nanoporer i kiselkväve-membran. Dessa fungerade som miniatyr elektrokemiska reaktorer. Att applicera negativ spänning initierade en reaktion som bildade ett fast precipitats, som blockerade poren. Att vända spänningen löste upp precipitats, och öppnade vägen igen. «Vi kunde upprepa denna öppnings- och stängningsprocess hundratals gånger under flera timmar», sade Tsutsui. «Detta visar att reaktionsschemat är robust och kontrollerbart». Övervakning av jonströmmar avslöjade skarpa toppar liknande de i biologiska kanaler, vilket pekar på skapandet av flera subnanometerporer inom den initiala strukturen. Justeringar av reaktantlösningarnas sammansättning och pH tillät kontroll över porstorlek och jonselaktivitet. «Vi kunde variera beteendet och den effektiva storleken hos de ultrasmå porerna genom att ändra sammansättningen och pH-värdet i reaktantlösningarna», noterade Kawai. «Detta möjliggjorde selektiv transport av joner med olika effektiva storlekar genom membranet genom att ställa in de ultrasmå porstorlekarna». Metoden stöder studier av materia i inställda atomerskala-rum och har potential för enskild molekylsensorik, såsom nanopor-baserad DNA-sekvensering, samt neuromorfa beräkningar som efterliknar neuronala elektriska mönster. Resultaten publiceras i Nature Communications.
