科学家在模拟自然界最小通道方面迈出了重要一步，他们制造出与生物离子通道尺寸相当的超微小孔——其宽度仅有几个原子。这项突破为单分子传感、神经形态计算以及研究物质在仅比原子略大空间中的行为开辟了新的可能性。
大阪大学的研究人员现在已经朝着这个目标迈出了重要一步。该团队在《自然通讯》上发表文章，描述了如何使用微型电化学反应器制造接近亚纳米尺寸的孔隙。
模仿自然的电通道
在细胞内，离子通过嵌入细胞膜中的特定蛋白质通道进行运输。这种离子运动产生电信号，包括负责肌肉收缩的神经冲动。这些通道由蛋白质构成，并包含埃米级别的极窄区域。当受到外部信号刺激时，这些蛋白质会改变形状，从而使通道打开或关闭。
受这一自然系统的启发，研究人员设计了一种固态版本，能够形成几乎与生物离子通道一样小的孔隙。他们首先在氮化硅膜上创建了一个纳米孔。然后，这个纳米孔充当了一个微型反应室，用于在其中构建更小的孔隙。
当团队在膜上施加负电压时，触发了纳米孔内的化学反应。该反应产生固体沉淀物，逐渐扩展直至完全堵塞开口。反转电压会使沉淀物溶解，恢复通过孔隙的导电路径。
“我们能够在几个小时内重复数百次这种开启和关闭过程，”主要作者Makusu Tsutsui解释道。“这表明反应方案是稳健且可控的。”
电尖峰揭示亚纳米孔隙
为了更好地了解膜内发生的情况，研究人员监测了通过膜的离子电流。他们观察到电流中出现尖锐的尖峰，类似于生物离子通道中的模式。进一步分析表明，这些信号最符合原始纳米孔内形成大量亚纳米孔隙的情况。
团队还发现，他们可以微调孔隙的行为。通过调整反应溶液的化学成分和pH值，他们改变了超小开口的尺寸和性质。
“我们能够通过改变反应溶液的成分和pH值来改变超小孔隙的行为和有效尺寸，”资深作者Tomoji Kawai报告说。“这使得通过调整超小孔隙尺寸，实现不同有效尺寸的离子通过膜的选择性运输。”
在DNA测序和神经形态计算中的应用
这种化学驱动的方法使得在单个纳米孔内生成多个超小孔隙成为可能。该技术提供了一种新方法，用于研究离子和流体在与生命系统相当的尺度下如何通过极度受限的空间。
除了基础研究，该技术还可以支持新兴领域，如单分子传感（例如，使用纳米孔测序DNA）、神经形态计算（使用电尖峰模拟生物神经元的行为）和纳米反应器（通过限域创造独特的反应条件）。