Когда дело доходит до изучения движущихся частиц, экспериментаторы следовали 100-летней теории, которая утверждает, что микроскопическое движение частицы определяется случайными столкновениями с молекулами окружающей среды, независимо от макроскопических сил, управляющих этим движением.

Ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) и Массачусетского технологического института обнаружили, что это знаменитое гидродинамическое соотношение, открытое Уолтером Нернстом и Альбертом Эйнштейном в начале 20-го века, полностью нарушается при сильном пространственном ограничении внутри пор углеродных нанотрубок. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

В 1888 г. Нернст предложил универсальную зависимость между подвижностью заряженной частицы и ее коэффициентом диффузии. Микроскопические истоки этой связи были обнаружены Эйнштейном в 1905 году, в период его annus mirabilis, кульминацией которого стала его работа по броуновскому движению. Соотношение NE, как известно, является важным строительным блоком нескольких важных теорий переноса ионов.

Ограниченная микро- и наносреда, такая как порины углеродных нанотрубок, может проверить связь NE, потому что ограничение может ограничивать подвижность ионов, усиливать эффекты близости, усиливать взаимодействие частиц с поверхностью и вызывать необычное структурирование жидкостей на больших расстояниях, и все это влияет на движение частицы.

В новой работе команда проверила правильность соотношения NE, исследуя транспорт ионов калия (K) в поринах углеродных нанотрубок диаметром 0,8 нм (CNTP). УНТФ представляют собой сегменты липидостабилизированных одностенных УНТ длиной 10 нм, которые встраиваются в фосфолипидные мембраны с образованием четко определенных трансмембранных пор с высокой селективностью к положительным ионам.

«Чрезвычайное пространственное ограничение в этих порах сильно препятствует диффузии ионов K + , снижая коэффициент диффузии на три порядка по сравнению с его объемным значением», — сказал ученый LLNL Алекс Ной, соавтор статьи. «Удивительно, но такое же ограничение оказывает незначительное влияние на электрофоретическую подвижность, что приводит к полному нарушению отношения NE».

Моделирование молекулярной динамики с использованием полностью атомистических поляризуемых силовых полей показало, что в отсутствие электрического поля однорядная цепочка воды внутри CNTP препятствовала диффузии ионов K + через CNTP. Однако под действием приложенного электрического поля однорядная цепочка воды разрывается и образует отчетливые ионно-водные кластеры, которые пересекают УНТ со значительно более высокими скоростями.

«Эти два принципиально разных микроскопических механизма в конечном итоге ответственны за нарушение связи NE в узких CNTP», — сказал Дэвид Бланкштейн, соавтор из Массачусетского технологического института.