Tecnologia Científica

Comportamentos iônicos e de fluxo surpreendentes com nanocanais funcionalizados
Os nanocanais têm aplicações importantes em biomedicina, sensoriamento e muitos outros campos.
Por Universidade de Maryland - 20/04/2021


(esquerda) Esquema do sistema de nanocanal enxertado com escova de PE. (direita) Inversão de fluxo com intensidade de campo elétrico aplicada. Crédito: TH Pial et al., ACS Nano , 2021, DOI: 10.1021 / acsnano.0c09248

Os nanocanais têm aplicações importantes em biomedicina, sensoriamento e muitos outros campos. Embora os engenheiros que trabalham no campo da nanotecnologia tenham fabricado essas estruturas minúsculas em forma de tubo por anos, ainda se desconhece muito sobre suas propriedades e comportamento.

Agora, o professor associado de engenharia mecânica da Universidade de Maryland, Siddhartha Das, e um grupo de seu Ph.D. os alunos publicaram novas descobertas surpreendentes na revista ACS Nano . Usando simulações em nível atômico, Das e sua equipe foram capazes de demonstrar que as propriedades de carga, bem como o fluxo de fluido induzido por carga em um nanocanal funcionalizado, nem sempre se comporta como esperado.

"Nós descobrimos um novo contexto para nanocanais funcionalizados enxertando suas paredes internas com moléculas de polímero carregadas (também conhecidas como polieletrólitos ou PEs)", disse Das, referindo-se ao processo de enxertar polímeros ou outras substâncias no nanocanal para causar para funcionar de uma determinada maneira. “A funcionalização de nanocanais não é nova. Mas chegamos a uma mudança de paradigma em termos de compreensão do comportamento e das propriedades de tais sistemas no contexto de suas propriedades de carga e sua capacidade de regular o fluxo do fluido .

"Por exemplo", disse Das, "descobrimos um novo tipo de comportamento de fluxo em tais nanocanais funcionalizados; aumentando a magnitude do campo elétrico aplicado a um nanocanal, a direção deste fluxo conduzido por campo elétrico (frequentemente conhecido como fluxo eletroosmótico) pode ser revertido. "

O artigo de Das e seus alunos detalha três descobertas específicas. Em primeiro lugar, mostraram que, quando polieletrólitos (PEs) são enxertados em forma de camada na parede interna do nanocanal, essa camada de PE sofrerá, em certas condições, uma surpreendente reversão de carga elétrica. Normalmente, se moléculas de PE negativas foram anexadas ao nanocanal, a camada de PE próxima deve ter uma carga líquida negativa. Das e seus alunos, no entanto, identificaram situações em que a carga se torna invertida e a carga líquida dentro da camada é positiva devido à atração de mais íons positivos (do que o necessário para filtrar a carga da camada de PE) dentro da camada— esse fenômeno é conhecido como "overscreening".

A equipe, então, investigou como essa sobre-seleção afeta o fluxo conduzido pelo campo elétrico externo (conhecido como fluxo eletroosmótico ou EOS) dentro do nanocanal. Eles descobriram, surpreendentemente, que em tais situações o fluxo é impulsionado por íons com a mesma carga que o Pes enxertado nas paredes do canal; assim, um polímero carregado negativamente cria um campo positivo líquido em sua vizinhança, mas o fluxo é conduzido pelos íons negativos.

"Chamamos isso de 'eletro-osmose conduzida por co-íon' e nosso artigo marca a primeira vez que esse fenômeno foi identificado", disse Das.

"Uma vez que o fluxo é tão importante, uma nova descoberta nesta área nos permite ampliar nossa compreensão de como funcionam os nanocanais e o que podemos fazer com eles", disse Das. "Existem outros métodos de reverter o fluxo, mas até agora não se sabia que podemos conseguir isso aumentando a intensidade do campo."


Finalmente, a equipe demonstrou os resultados inesperados do aumento da magnitude do campo elétrico: as moléculas de PE anexadas ao nanocanal ficam deformadas, e os íons que causaram a instância de overscreening começam a escapar da camada de PE. Isso faz com que o overscreening pare e também inverte a direção do fluxo no canal: se ele estava se movendo da esquerda para a direita, por exemplo, ele muda para direita-esquerda. "Ninguém previu isso", disse Das.

As descobertas são significativas, disse Das, porque muito do interesse em nanocanais está relacionado à sua capacidade de transportar moléculas. "Uma vez que o fluxo é tão importante, uma nova descoberta nesta área nos permite ampliar nossa compreensão de como funcionam os nanocanais e o que podemos fazer com eles", disse Das. "Existem outros métodos de reverter o fluxo, mas até agora não se sabia que podemos conseguir isso aumentando a intensidade do campo."

 

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