06 oct.2023 (Projecteur Nanowerk) Les canaux potassiques biologiques sont des merveilles de perméabilité sélective, permettant un transport rapide des ions potassium (rayon ionique de 1.3 Å) tout en bloquant les plus petits ions sodium (1.0 Å). Cette sélectivité ionique et cette conduction élevée sont à la base de la signalisation nerveuse et de nombreux autres processus biologiques. Les scientifiques cherchent depuis longtemps à imiter ces capacités dans des systèmes artificiels, mais sont loin d’avoir réussi à égaler la discrimination ionique exquise des canaux protéiques naturels. Aujourd’hui, des chercheurs chinois ont conçu par ordinateur des canaux ioniques artificiels qui se rapprochent de la sélectivité de leurs homologues biologiques. Comme indiqué dans un article récent de Revue scientifique nationale ("Concevoir des canaux ioniques artificiels avec un K strict+/N / A+ sélectivité vers la génération d’énergie ionique électrique-anguille-mimétique de nouvelle génération »), l'équipe a créé des nanopores dans des feuilles de graphène en couches et a décoré leurs bords avec un anneau de groupes carbonyle. En simulant informatiquement le transport des ions à travers ces pores, ils ont démontré des taux de conduction des ions potassium rivalisant avec les canaux naturels, tout en bloquant presque complètement les ions sodium.
Inspiré par la distribution rotative des anneaux carbonyle dans le filtre de sélectivité des canaux biologiques KcsA, un modèle de nanopores de graphène bicouche avec fonctionnalisation carbonyle torsadée est établi comme canal potassique artificiel et permet une sélectivité K+ stricte. (Réimprimé de National Science Review 2023, DOl : 10.1093/sr/nwad260 sous CC BY 4.0) Cette sélectivité extrême découle de deux caractéristiques de conception clés. Premièrement, le nanopore est composé de deux graphène couches, qui fournissent un espace confiné pour la coordination des ions et de l’eau. Deuxièmement, les groupes carbonyle de chaque couche sont tordus les uns par rapport aux autres, imitant la disposition trouvée dans les canaux potassiques. « La caractéristique structurelle longtemps négligée des anneaux carbonyle rotatifs sous-tend le K ultra-élevé+/N / A+ sélectivité, mais n’a jamais été utilisé dans la construction de canaux potassiques artificiels », a déclaré à Nanowerk Wei Guo, professeur à l’Institut de recherche pour les sciences frontières de l’Université de Beihang. L’analyse des trajectoires ioniques simulées montre que les ions potassium se déplacent deux à la fois à travers les pores de la bicouche. Les groupes carbonyle stabilisent les ions dans l'espace confiné, tandis que les molécules d'eau les relient à travers les couches. Ce mécanisme d’actionnement à double ion permet un transport rapide du potassium. En revanche, les ions sodium ont tendance à rester coincés lorsqu’ils sautent de la première couche à la seconde, bloqués par leur mauvais ajustement dans les cycles carbonyle. La simulation a révélé une sélectivité potassium-sodium de près de 1300 1 pour 40, contre 1 pour XNUMX ou moins pour les conceptions artificielles précédentes.
La perméation de K+ suit un mécanisme de transport à double ion, que l’on ne trouvait auparavant que dans les canaux ioniques biologiques. Une molécule d’eau intermédiaire bascule rapidement entre deux K hydratés+ à une fréquence de 0.6 THz, et relie les ions potassium de même charge, appelé triplet K-H2O-K. (Réimprimé de National Science Review 2023, DOl : 10.1093/sr/nwad260 sous CC BY 4.0) Au-delà de la compréhension du fonctionnement des systèmes biologiques, les canaux ioniques artificiels hautement sélectifs permettent de nouvelles applications que l'on ne trouve pas dans la nature. En guise de preuve de concept, les chercheurs proposent d'utiliser ces nanopores de graphène pour récupérer l'énergie de solutions électrolytiques de concentration égale. Baptisé production d'énergie osmotique activée par la permsélectivité du potassium (PoPee-OPG), l'appareil utiliserait des membranes avec des pores sélectifs pour le potassium à l'échelle d'Ångström séparant les solutions de chlorure de potassium et de chlorure de sodium. Seuls les ions potassium pourraient traverser la membrane, générant ainsi du courant électrique et de l’énergie. Notamment, PoPee-OPG pourrait fonctionner en utilisant des solutions de force ionique totale égale. Cela contraste avec les solutions diluées utilisées dans les conceptions de puissance osmotique existantes, qui limitent leur densité de puissance. La densité de puissance projetée dépasse 1200 XNUMX W/m2 avec une couverture nanopore inférieure à 1 % de la membrane.
Génération d'énergie ionique en mélangeant des solutions de KCl et NaCl de concentration égale. Seuls les ions potassium peuvent pénétrer dans le K+-membrane permsélective (KPM), ainsi, le courant ionique diffusif net du KCl vers le réservoir de NaCl peut être récupéré sous forme d'énergie électrique. Le changement d'énergie libre via un KPM ou via une membrane non sélective (mélange libre) peut être calculé pour l'efficacité de la conversion énergétique. (Réimprimé de National Science Review 2023, DOl : 10.1093/sr/nwad260 sous CC BY 4.0) « À notre avis, PoPee-OPG imite mieux le mode de conversion d'énergie par la cellule électrocytaire des anguilles électriques et offre des avantages majeurs par rapport à la salinité existante. production d'énergie par gradient (SGPG) », explique Guo. En éliminant le besoin d’une solution diluée, la nouvelle approche réduit considérablement la résistance interne et permet une puissance de sortie élevée, un peu comme les organes électriques qui donnent leur choc aux anguilles électriques. Bien qu’encore théoriques à ce stade, les principes démontrés pourraient guider la fabrication de membranes hautement sélectives à partir de matériaux empilés à base de graphène. La production d’énergie ionique n’est qu’une application potentielle ; la purification de l’eau, la séparation chimique et les batteries améliorées en sont d’autres. "La structure unique des pores proposée dans ce travail fournit des informations précieuses pour synthétiser, par exemple, des membranes à structure organique covalente bicouche avec des sites de liaison ioniques conçus avec précision", conclut Guo. Dans l’ensemble, les principes de conception biomimétique produisent des canaux ioniques avec une sélectivité et une vitesse sans précédent par rapport aux systèmes artificiels. Ils fournissent un modèle pour des applications polyvalentes et apportent les capacités exceptionnelles des protéines naturelles dans des dispositifs conçus par l'homme.
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Michael
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– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
Nano-société: repousser les limites de la technologie,
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Nanoingénierie: les compétences et les outils qui rendent la technologie invisible
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