Международный коллектив ученых из Университета Клемсона, Университета Кентукки, Университета Джорджии, Университета Калифорнии, Гарвардского Университета (США) и Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова 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
Схема нанофлюидного устройства
Источник: S. Bearden, T.M. Abramyan, D. Gil, J. Johnson, A. Murashko, S. Makaev, D. Mai, A. Baranchikov, V. Ivanov, V. Reukov, G. Zhang. Resolving the size and charge of small particles: a predictive model of nanopore mechanics // J. Phys. Chem. C. 2024. DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c02722.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.4c02722