Вчені зробили ще один крок до створення технологій, які буквально копіюють принципи роботи живих організмів. Дослідники з University of Osaka змогли створити крихітні «пори» атомного масштабу, що поводяться майже так само, як іонні канали в клітинах. Це відкриття може стати основою для нових поколінь нанотехнологій — від біосенсорів до «розумної» електроніки. У дослідженні, опублікованому в Nature Communications, вони описують новий підхід, який використовує мініатюрний електрохімічний реактор для формування пор, розмір яких наближається до субнанометрового.
Щоб зрозуміти значення цього прориву, варто згадати, як працюють живі клітини. У їхніх мембранах є спеціальні білкові канали — іонні канали. Через них проходять заряджені частинки (іони), і саме цей рух створює електричні сигнали. Наприклад, нервові імпульси, які змушують м’язи скорочуватися, виникають завдяки таким каналам. Найцікавіше, що вони можуть відкриватися і закриватися, реагуючи на зовнішні сигнали.
Відтворити щось подібне в лабораторії надзвичайно складно. Найвужчі ділянки таких каналів мають розмір лише кілька ангстремів — це фактично рівень окремих атомів. Звичайні методи нанофабрикації просто не дозволяють настільки точно і стабільно створювати подібні структури.
Японські дослідники запропонували нестандартний підхід. Вони створили своєрідний мініатюрний «реактор» усередині нанопори — крихітного отвору в тонкій мембрані з нітриду кремнію. Саме там і починається найцікавіше: під дією електричної напруги всередині цієї пори запускається хімічна реакція.
Коли подається негативна напруга, утворюється твердий осад, який поступово перекриває канал — наче «закриває двері». Якщо змінити полярність, цей осад розчиняється, і іони знову можуть проходити. Таким чином, система працює як перемикач: відкривається і закривається багато разів поспіль.
Під час експериментів вчені помітили цікаву деталь — струм через мембрану поводився не плавно, а з різкими «сплесками». Це дуже нагадує сигнали, які генерують природні іонні канали в клітинах. Аналіз показав, що всередині однієї великої пори фактично формуються численні ще менші — субнанометрові — канали.
Ще один важливий момент: дослідники навчилися керувати властивостями цих пор. Змінюючи склад розчину або рівень кислотності (pH), вони можуть «налаштовувати» розмір і поведінку каналів. Це дозволяє вибірково пропускати іони різного розміру — фактично створюючи фільтр на атомному рівні.
Практичні перспективи такого відкриття дуже широкі. По-перше, це може допомогти у створенні надчутливих сенсорів, здатних «бачити» окремі молекули — наприклад, для аналізу ДНК. По-друге, технологія відкриває шлях до так званих нейроморфних систем — електроніки, яка імітує роботу мозку, використовуючи подібні імпульсні сигнали.
Крім того, такі нанопори можуть стати основою для мікроскопічних реакторів, де хімічні процеси відбуваються в максимально контрольованих умовах. Фактично, вчені наблизилися до межі, де штучні системи починають поводитися як живі. І хоча це ще не «життя» у прямому сенсі, подібні технології можуть радикально змінити підхід до електроніки, медицини та матеріалознавства вже в найближчі десятиліття.