Os canais iônicos são pequenas aberturas que controlam o movimento de partículas carregadas nos organismos vivos. Essas vias estreitas são críticas para muitas funções biológicas. Em alguns casos, suas partes mais compactas têm apenas alguns angstroms de largura, aproximadamente a largura de um único átomo. A replicação de estruturas tão pequenas com precisão e consistência continua sendo um dos desafios mais difíceis da nanotecnologia.
Pesquisadores da Universidade de Osaka deram agora um passo importante em direção a esse objetivo. escrito em comunicações da naturezaa equipe descreve como eles usaram reatores eletroquímicos microscópicos para criar poros que se aproximam de dimensões subnanométricas.
Gateway elétrico que imita a natureza
Dentro da célula, os íons viajam através de canais proteicos especiais incorporados na membrana celular. Esse movimento de íons gera sinais elétricos, incluindo impulsos nervosos responsáveis pela contração muscular. Esses canais são feitos de proteínas e contêm regiões extremamente estreitas da ordem de Angstroms. Quando expostas a sinais externos, estas proteínas mudam de forma, permitindo que os canais se abram ou fechem.
Inspirando-se neste sistema natural, os pesquisadores projetaram uma versão em estado sólido capaz de formar poros quase tão pequenos quanto canais iônicos biológicos. Eles primeiro criaram nanoporos em um filme de nitreto de silício. O nanoporo atua então como uma minúscula câmara de reação para criar poros ainda menores.
Quando a equipe aplicou uma voltagem negativa à membrana, desencadeou reações químicas dentro dos nanoporos. Esta reação produz um precipitado sólido que se expande gradualmente até bloquear completamente a abertura. A reversão da voltagem faz com que o precipitado se dissolva, restaurando os caminhos condutores 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 esquema de reação é robusto e controlável.”
Picos elétricos revelam poros subnanométricos
Para entender melhor o que estava acontecendo dentro da membrana, os pesquisadores monitoraram a corrente iônica através da membrana. Eles observaram picos acentuados na corrente, semelhantes aos padrões observados em canais iônicos biológicos. Análises posteriores mostraram que esses sinais eram mais consistentes com a formação de um grande número de poros subnanômetros dentro do nanoporo original.
A equipe de pesquisa também descobriu que poderia ajustar o comportamento dos poros. Ao ajustar a composição química e o pH da solução de reação, eles alteraram o tamanho e as propriedades das aberturas ultrapequenas.
“Conseguimos mudar o comportamento e o tamanho efetivo dos poros ultrapequenos, alterando a composição e o pH da solução reagente”, relata o autor sênior Tomoji Kawai. “Ao ajustar o tamanho dos poros ultrapequenos, íons de diferentes tamanhos efetivos podem ser transportados seletivamente através da membrana.”
Aplicações de sequenciamento de DNA e computação neuromórfica
Esta abordagem quimicamente orientada torna possível criar vários poros ultrapequenos dentro de um único nanoporo. A técnica oferece uma nova maneira de estudar como os íons e fluidos se movem através de espaços extremamente confinados em uma escala comparável à dos sistemas vivos.
Além da investigação básica, a tecnologia pode apoiar áreas emergentes como a detecção de uma única molécula (por exemplo, a utilização de nanoporos para sequenciar ADN), a computação neuromórfica (utilização de picos eléctricos para imitar o comportamento de neurónios biológicos) e nanorreatores (criação de condições de reacção únicas através do confinamento).
