Os canais iônicos são pequenas aberturas que controlam o movimento de partículas carregadas nos organismos vivos. Essas vias estreitas são essenciais para muitas funções biológicas. Em alguns casos, as suas regiões mais estreitas têm apenas alguns angstroms de diâmetro, aproximadamente a largura dos átomos individuais. Reproduzir uma estrutura tão pequena com precisão e consistência continua sendo um dos desafios mais desafiadores da nanotecnologia.
Pesquisadores da Universidade de Osaka deram agora um passo importante em direção a esse objetivo. Escrevendo em Comunicações da naturezaa equipe descreve como eles usaram um reator eletroquímico miniaturizado para produzir poros que se aproximam de dimensões subnanômetros.
Imitação dos portões elétricos da natureza
Dentro das células, os íons se movem ao longo de canais de proteínas especializados construídos na membrana celular. Este movimento de íons cria sinais elétricos, incluindo os impulsos nervosos responsáveis pela contração muscular. Os canais são construídos com proteínas e contêm regiões extremamente estreitas na escala angstrom. Sob a influência de sinais externos, essas proteínas mudam de forma, o que permite que os canais se abram ou fechem.
Inspirando-se neste sistema natural, os pesquisadores desenvolveram uma versão em estado sólido capaz de formar poros quase tão pequenos quanto canais iônicos biológicos. Eles começaram criando nanoporos em uma membrana de nitreto de silício. Este nanoporo agiu então como uma pequena câmara de reação para criar poros ainda menores dentro dele.
Quando a equipe aplicou uma voltagem negativa à membrana, desencadeou uma reação química dentro do nanoporo. Esta reação produziu um precipitado sólido que se expandiu gradualmente até cobrir completamente o orifício. A mudança na voltagem fez com que o precipitado se dissolvesse, restabelecendo as vias condutoras através dos poros.
“Conseguimos repetir esse processo de abertura e fechamento centenas de vezes em poucas horas”, explica o autor principal Makusu Tsutsui. “Isso mostra que o padrão de reação é robusto e controlável.”
Picos elétricos revelam poros subnanométricos
Para entender melhor o que está acontecendo dentro da membrana, os pesquisadores monitoraram a corrente iônica que passa por ela. Eles observaram picos acentuados de corrente semelhantes aos padrões observados em canais iônicos biológicos. Análises posteriores mostraram que esses sinais são mais consistentes com a formação de numerosos poros subnanômetros no nanoporo original.
A equipe também descobriu que poderia ajustar o comportamento da dupla. Ao ajustar a composição química e o pH das soluções reagentes, eles alteraram o tamanho e as propriedades dos orifícios ultrapequenos.
“Conseguimos alterar o comportamento e o tamanho efetivo dos poros ultrapequenos, alterando a composição e o pH das soluções reagentes”, relata Tomoji Kawai, autor sênior. “Isso permitiu o transporte seletivo de íons de diferentes tamanhos efetivos através da membrana, ajustando os tamanhos de poros ultrapequenos.”
Aplicações de sequenciamento de DNA e computação neuromórfica
Esta abordagem quimicamente permite a criação de múltiplos poros ultrapequenos em um único nanoporo. A técnica oferece uma nova maneira de estudar como os íons e fluidos se movem através de espaços extremamente confinados em escalas comparáveis aos sistemas vivos.
Além da pesquisa básica, esta tecnologia pode apoiar novos campos, como detecção de molécula única (como o uso de nanoporos para sequenciar DNA), computação neuromórfica (usando picos elétricos para imitar o comportamento de neurônios biológicos) e nanorreatores (criando condições de reação únicas através do confinamento).
