Учёные создали искусственные ионные каналы размером с атом

Ионные каналы — это крошечные отверстия, контролирующие движение заряженных частиц в живых организмах. Эти узкие пути необходимы для многих биологических функций. В некоторых случаях их самые узкие участки имеют размер всего в несколько ангстрем, что примерно равно ширине отдельных атомов. Воспроизведение структур такого размера с высокой точностью и стабильностью остаётся одной из сложнейших задач нанотехнологий.

Исследователи из Университета Осаки сделали крупный шаг к этой цели. В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, команда описывает, как с помощью миниатюрного электрохимического реактора им удалось создать поры, приближающиеся к субнанометровым размерам.

Подражая природным электрическим воротам

Внутри клеток ионы перемещаются через специализированные белковые каналы, встроенные в клеточную мембрану. Это движение генерирует электрические сигналы, включая нервные импульсы, ответственные за сокращение мышц. Каналы построены из белков и содержат чрезвычайно узкие области атомного масштаба. Под воздействием внешних сигналов эти белки меняют форму, что позволяет каналам открываться или закрываться.

Вдохновившись этой природной системой, исследователи разработали её твердотельную версию, способную формировать поры почти такие же маленькие, как биологические ионные каналы. Они начали с создания нанопоры в мембране из нитрида кремния. Затем эта нанопора стала крошечной реакционной камерой для построения внутри неё ещё меньших пор.

Когда команда приложила отрицательное напряжение к мембране, внутри нанопоры запустилась химическая реакция. Эта реакция привела к образованию твёрдого осадка, который постепенно расширялся, пока полностью не блокировал отверстие. Изменение полярности напряжения вызвало растворение осадка, восстанавливая проводящие пути через пору.

«Мы смогли повторить этот процесс открытия и закрытия сотни раз в течение нескольких часов, — объясняет ведущий автор Макацу Цуцуи. — Это демонстрирует, что схема реакции надёжна и управляема».

Электрические всплески выдают субнанометровые поры

Чтобы лучше понять, что происходит внутри мембраны, исследователи отслеживали ионный ток, проходящий через неё. Они наблюдали резкие всплески тока, похожие на паттерны, наблюдаемые в биологических ионных каналах. Дальнейший анализ показал, что эти сигналы наиболее соответствуют образованию множества субнанометровых пор внутри исходной нанопоры.

Команда также обнаружила, что может точно настраивать поведение пор. Изменяя химический состав и pH реакционных растворов, они меняли как размер, так и свойства сверхмалых отверстий.

«Мы смогли варьировать поведение и эффективный размер сверхмалых пор, изменяя состав и pH реакционных растворов, — сообщает старший автор Томодзи Каваи. — Это позволило осуществлять селективный транспорт ионов разного эффективного размера через мембрану путём настройки размеров сверхмалых пор».

Применение в секвенировании ДНК и нейроморфных вычислениях

Этот химически управляемый подход позволяет генерировать множество сверхмалых пор внутри одной нанопоры. Техника предлагает новый способ изучения того, как ионы и жидкости движутся в чрезвычайно ограниченных пространствах, сопоставимых по масштабу с живыми системами.

Помимо фундаментальных исследований, технология может найти применение в таких развивающихся областях, как сенсорика одиночных молекул (например, использование нанопор для секвенирования ДНК), нейроморфные вычисления (использование электрических всплесков для имитации поведения биологических нейронов) и нанореакторы (создание уникальных условий реакции за счёт ограниченного пространства).

ИИ: Это прорывное исследование открывает путь к созданию искусственных систем, работающих на том же масштабе, что и биологические. Возможность точно контролировать размер и поведение атомарных пор может в перспективе привести к революции в медицине (сверхточная диагностика) и вычислительной технике (компьютеры, имитирующие работу мозга).