Международный коллектив ученых из США (Университет Клемсона, Университет Кентукки, Университет Джорджии, Университет Калифорнии и Гарвардский Университет) и России (ИОНХ РАН) разработал математическую модель, описывающую транспорт различных молекул, ионов и ультрамалых наночастиц через единичные нанопоры, и подтвердил ее экспериментально.
Результаты исследования, выполненного при поддержке Российского научного фонда (грант 19-13-00416), опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry C.
Опубликованная работа относится к одной из наиболее интересных и активно развивающихся областей нанотехнологий — нанофлюидике. В состав нанофлюидных устройств входят элементы с ультрамалыми отверстиями, размер которых сопоставим с размером молекул. Подача небольших потенциалов на такие элементы позволяет управлять прохождением отдельных молекул и ионов через отверстия — запирать или открывать их, тем самым обеспечивая дозированное прохождение веществ через мембраны и позволяя отделять отдельные молекулы. Анализ простых электрофизических характеристик таких элементов (емкость, разность потенциалов и т.д.) позволяет не только регистрировать прохождение через отверстие отдельных молекул, но и определять их заряд и массу, что позволяет определять состав веществ с максимально достижимой точностью.
Незаменимыми нанофлюидные устройства могут стать при разделении и анализе биомолекул — белков и ДНК. Несмотря на кажущуюся фантастичность таких устройств, некоторые принципы, лежащие в основе их работы, уже давно используются на практике — например, общий анализ крови выполняют в автоматическом режиме с помощью так называемых счетчиков Коултера, которые, например, могут считать клетки крови со скоростью до 10000 шт. в секунду.
Коллектив ученых на ряде достаточно простых эмпирических уравнений создал модель, которая адекватно описывает работу оригинального нанофлюидного устройства с единичным отверстием ультрамалого размера — всего несколько нанометров, — способного детектировать проходящие через него отдельные заряженные частицы. Устройство измеряет величину ионного тока или потенциала двойного электрического слоя, изменяющиеся при прохождении через отверстие любой заряженной частицы (иона, кластера или наночастицы), и может быть использовано для создания прецизионных высокочувствительных сенсоров.
Проведенные авторами эксперименты и расчеты показали, что созданный ими нанофлюидный детектор способен определять и надежно различать по размеру находящиеся в растворе ультрамалые наночастицы диоксида церия размером ~3.5 и ~7.0 нм. Полученные результаты открывают новые возможности по созданию высокоточных систем для контроля и дозирования наночастиц.
Изображение на обложке: схема нанофлюидного устройства (автор иллюстрации – к.х.н. Александр Баранчиков), предоставлено ИОНХ РАН
