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(Foco Nanowerk) Los canales biológicos de potasio son maravillas de la permeabilidad selectiva, que permiten el rápido transporte de iones de potasio (radio iónico de 1,3 Å) mientras bloquean los iones de sodio más pequeños (1,0 Å). Esta selectividad iónica y alta conductividad subyacen a la señalización nerviosa y a muchos otros procesos biológicos. Los científicos llevan mucho tiempo intentando imitar estas capacidades en sistemas artificiales, pero están lejos de poder igualar la excelente discriminación iónica de los canales de proteínas naturales.
Ahora investigadores en China han diseñado computacionalmente canales iónicos artificiales que se aproximan a la selectividad de sus homólogos biológicos. Como se informó en un artículo reciente en Revista Nacional de Ciencias (“Diseño de canales de iones artificiales con K estricta.”+/N / A+ “Selectividad para la producción de energía iónica mediante anguilas eléctricas de próxima generación”), el equipo creó nanoporos en láminas de grafeno en capas y decoró sus bordes con un anillo de grupos carbonilo. Al simular computacionalmente el transporte de iones a través de estos poros, demostraron velocidades de conducción de iones de potasio que rivalizan con los canales naturales y al mismo tiempo bloquean casi por completo los iones de sodio.
![Modelo de nanoporos de grafeno bicapa con funcionalización de carbonilo retorcido](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63792_1.jpg)
Esta selectividad extrema es el resultado de dos características de diseño clave. En primer lugar, el nanoporo consta de dos capas de grafeno, que proporcionan un espacio limitado para la coordinación de iones y agua. En segundo lugar, los grupos carbonilo de cada capa están trenzados entre sí, imitando la disposición que se encuentra en los canales de potasio.
“La característica estructural de los anillos de carbonilo giratorios que se pasó por alto durante mucho tiempo sustenta el K ultra alto+/N / A+ selectividad, pero nunca se ha utilizado para construir canales artificiales de potasio”, dice a Nanowerk Wei Guo, profesor del Instituto de Investigación de Ciencias Fronterizas de la Universidad de Beihang.
El análisis de las trayectorias de los iones simulados muestra que los iones de potasio se mueven a través del poro de la doble capa de dos en dos. Los grupos carbonilo estabilizan los iones en el espacio limitado, mientras que las moléculas de agua los unen a través de las capas. Este mecanismo de doble ión permite un rápido transporte de potasio.
Por el contrario, los iones de sodio tienden a quedarse atascados al saltar de la primera capa a la segunda capa porque quedan bloqueados debido a su mal ajuste dentro de los anillos de carbonilo. La simulación arrojó una selectividad de potasio a sodio de casi 1300 a 1, en comparación con 40 a 1 o menos en diseños artificiales anteriores.
![La permeación de K+ sigue un mecanismo de transporte de iones dual.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63792_2.jpg)
Los canales iónicos artificiales altamente selectivos no sólo proporcionan información sobre cómo funcionan los sistemas biológicos, sino que también permiten nuevas aplicaciones que no se pueden encontrar en la naturaleza. Como prueba de concepto, los investigadores proponen utilizar estos nanoporos de grafeno para generar energía a partir de soluciones de electrolitos de la misma concentración.
El dispositivo, llamado generación de energía osmótica activada por permselectividad de potasio (PoPee-OPG), utiliza membranas con poros selectivos de potasio en escala de angstrom que separan las soluciones de cloruro de potasio y cloruro de sodio. Solo los iones de potasio podrían atravesar la membrana y generar corriente eléctrica y corriente.
En particular, PoPee-OPG podría funcionar con soluciones de la misma fuerza iónica total. Esto contrasta con las soluciones diluidas utilizadas en los diseños de energía osmótica existentes, que limitan su densidad de potencia. La densidad de potencia prevista es superior a 1200 W/m2 con menos del 1% de cobertura de nanoporos de la membrana.
![Generación de corriente iónica mezclando soluciones de KCl y NaCl de la misma concentración.](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63792_3.jpg)
«En nuestra opinión, PoPee-OPG imita mejor la forma de conversión de energía mediante celdas electrocíticas de anguila eléctrica y ofrece grandes ventajas sobre la generación de energía por gradiente de salinidad (SGPG) existente», dice Guo.
Al eliminar una solución diluida, el nuevo enfoque reduce significativamente la resistencia interna y permite una alta potencia de salida, similar a los órganos eléctricos que dan descargas a las anguilas eléctricas.
Aunque los principios mostrados son teóricos en este momento, podrían servir como guía para la fabricación de membranas altamente selectivas a partir de materiales apilados a base de grafeno. La generación de energía iónica es sólo una posible aplicación; Otros son la purificación del agua, la separación química y la mejora de las baterías.
«La estructura de poros única propuesta en este trabajo proporciona información valiosa para la síntesis de, por ejemplo, membranas estructurales orgánicas covalentes de dos capas con sitios de unión de iones diseñados con precisión», concluye Guo.
En general, los principios de diseño biomimético dan como resultado canales iónicos con una selectividad y velocidad sin precedentes en comparación con los sistemas artificiales. Proporcionan un modelo para aplicaciones versátiles, llevando las extraordinarias capacidades de las proteínas naturales a dispositivos desarrollados por humanos.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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