Наука - практике

Наножидкостный диод: что скрывается за лаконичной формулировкой

Поводом для написания этой заметки стал доклад на сессии ПКК по физике конденсированных сред в январе. Тема вызвала интерес у аудитории, поэтому автор принял предложение редакции еженедельника "Дубна" рассказать на страницах газеты о том, что скрывается под лаконичной формулировкой "наножидкостный диод".

Любое явление проще и легче понять, рассматривая его в развитии. Поэтому начнем изложение относительно издалека. Начало 90-х годов прошлого века. Профессор Адольф Лев присылает из Санкт-Петербурга в Дубну свою сотрудницу за образцами трековых мембран ("ядерных фильтров"). Поры в мембранах должны быть как можно меньше - желательно менее 10 нм в диаметре. Для нашей технологии это примерно нижний порог, поскольку "трековые" поры не могут быть меньше размера радиационного повреждения. Идея состоит в том, чтобы попытаться моделировать поведение ионных каналов клеточной мембраны на полностью искусственной системе. Изготовленные в ЛЯР образцы уезжают в Санкт-Петербург, в Институт цитологии РАН, где проводятся первые эксперименты.

Тем временем финансирование научных исследований в стране сходит на нет. Сотрудники А.Льва разъезжаются по свету в поисках куска хлеба и возможности продолжать работу. Эксперименты с "трековыми" порами дубненского происхождения перемещаются в Лондон, а именно в лабораторию биохимии, которую возглавляет Чарльз Пастернак. Чарльз - представитель знаменитой по гуманитарной линии семьи с российскими корнями^* - берет под свое крыло двух молодых исследователей из Санкт-Петербурга. Обнаруживается, что заполненные раствором электролита искусственные нанопоры действительно проявляют некоторые свойства, присущие ионным каналам биологического происхождения. Например, спонтанные флуктуации электрического тока и исчезновение этих флуктуаций при введении в систему малых количеств поливалентных ионов. Подобие электрических свойств казалось удивительным на фоне огромной разницы в геометрических размерах: ионные каналы пронизывают липидный двойной слой, имеющий толщину 7-8 нанометров, в то время как длина пор в трековой мембране на три порядка больше - 10 микрометров. Результат обсуждается на конференциях и в процессе взаимных визитов биологов к физикам и физиков к биологам.

Понятно, что наиболее информативны эксперименты с мембранами, содержащими одну-единственную пору. Поэтому продолжение истории ведет нас в Общество исследований с тяжелыми ионами (GSI, Дармштадт), где на канале линейного ускорителя действует установка для облучения одиночными ионами мэвных энергий. В GSI работает большой энтузиаст практических применений методов ядерной физики Раймар Шпор. Раймар приглашает в GSI специалистов, представляющих разные подходы и школы, инициируя взаимообмен навыками и опытом. Так ваш покорный слуга оказывается в интернациональном коллективе, решившем изготовить узкую и одновременно короткую пору, то есть такую, которая по геометрии походила бы на ионный канал. Решили, что простейшим подходом будет коническая конфигурация. Узкий конец поры станет грубой моделью ионного канала. Для получения конической поры химическую обработку (травление) образцов с одиночными треками проводили с одной стороны. Простота методики была на уровне школьного опыта. Маленькая хитрость состояла в наложении электрического поля таким образом, чтобы гидроксид-ионы начинали движение в обратную сторону в момент образования сквозного канала. Травление останавливалось. "Новорожденная" узкая часть поры "замораживалась" на нанометровом уровне размеров. Заменяя щелочь в ячейке нейтральным раствором электролита, получали объект для последующих экспериментов.

Однако первоначальный замысел - изучение спонтанных флуктуаций тока - отошел на задний план после того, как было обнаружено диодоподобное поведение конической поры. Ее электрическое сопротивление существенно зависело от полярности приложенной разности потенциалов. Эффект заинтересовал и теоретиков, и практиков. Во-первых, ионные каналы тоже часто имеют асимметричную вольтамперную характеристику. Во-вторых, асимметричная пора с таким свойством может быть использована в миниатюрных наножидкостных приборах, где транспортом реагентов управляют при помощи электрического сигнала ("ионный насос"). В-третьих, пора может служить сенсором коллоидных частиц и даже молекул.

К исследованиям свойств и потенциальных приложений асимметричной трековой нанопоры подключились многие лаборатории США, Германии, Китая, Испании и других стран. Было предложено несколько моделей выпрямления ионного тока. Наиболее ясная картина получается, если движение ионов в нанопоре описывать уравнениями Нернста-Планка и Пуассона. При этом можно выделить три ключевых фактора: наличие диссоциирующих функциональных групп на стенках нанопоры, сравнимость по величине радиуса узкого устья поры с дебаевской длиной экранирования и геометрическую асимметрию. Устье поры ионоселективно и при соответствующем направлении электрического поля пропускает внутрь преимущественно катионы. При этом происходит накопление ионов обоих знаков внутри поры, и она переходит в высокопроводящее состояние. При обратной полярности пора обедняется носителями заряда и переходит в низкопроводящее состояние. Эффект обогащения-обеднения тоже может быть использован в нанофлуидной технике, например для создания миниатюрных химических реакторов. Процесс внутри реактора может быть запущен при помощи электрического сигнала, закачивающего реагенты внутрь нанообъема. Сигнал противоположной полярности может быть использован для прекращения процесса. Может быть достигнуто такое повышение концентрации вещества внутри поры, что оно выпадает в осадок. Это явление получило название "нанопреципитации".

Исследования свойств асимметричной нанопоры в настоящее время весьма многообразны. Наша группа в Центре прикладной физики ЛЯР имени Г.Н.Флерова сосредоточила усилия на альтернативных подходах к формированию асимметричных нанопор и оптимизации их геометрии. В частности, мы применили новый способ, базирующийся на явлении самосборки адсорбционных слоев поверхностно-активных веществ (ПАВ). Объединив обычный процесс травления трека с процессом формирования мицеллообразных агрегатов ПАВ в устье пор, можно получать каналы с различным продольным профилем. (Отвлекаясь от основной линии повествования, заметим, что природа широко использует процессы самосборки наноструктур.)

Метод одинаково применим и к одиночной поре, и к массивам из многих пор. Последнее особенно важно в случае использования электронно-микроскопических методов для точной характеризации геометрии наноканалов. Поэтому мы вернулись от варианта с одиночной порой к ансамблю пор. Было установлено, что коническая форма не оптимальна для получения диодного эффекта. Более выгодной оказывается "пулеобразная" конфигурация с резким расширением устья внутри поры. В этом случае поступающие сквозь устье ионы попадают в своеобразный "наноомут", где резко уменьшается градиент потенциала. Замедление электрофоретического движения ионов создает благоприятные условия для повышения локальной концентрации. Неожиданным оказался факт, что для нанопор такой конфигурации наиболее сильная электрическая асимметрия достигается при радиусах устья 13-20 нм, что значительно превышает дебаевскую длину экранирования и поэтому не укладывается в существующие модели. Чрезвычайно любопытно, что максимум выпрямительного эффекта наблюдается при концентрациях электролита порядка 100 ммоль/л. Это соответствует содержанию ионов натрия и калия во вне- и внутриклеточной жидкости соответственно. По-видимому, природа позаботилась о максимальной эффективности управления ионным транспортом в живых организмах.

В ряде лабораторий асимметричную нанопору исследуют как чувствительный элемент детектора молекул. Особый интерес представляют биологические молекулы, поведение которых нужно изучать в естественной среде, например физиологическом растворе. Так, когда молекула белка транслируется сквозь устье нанопоры, регистрируется импульс тока. Импульс дает информацию о факте прохождения, а его амплитуда и длительность - о конформации белка (развернутая цепь или клубок). Работу детектора можно сделать существенно более тонкой. Химической прививкой в устье поры помещают функциональные группы, которые способны "узнавать" какую-то заданную молекулу за счет взаимодействия посредством нескольких водородных связей аналогично тому, как комплементарные нуклеотиды в однонитевых ДНК узнают друг друга, свиваясь в двойную спираль. Устье работает подобно демону Максвелла, пропуская одни молекулы и задерживая избранные. Сделана попытка создать молекулярные ворота, причем пропуск "выписывается" световым сигналом.

Сегодня трудно предсказать, какие из разрабатываемых вариантов найдут реальное воплощение на практике, а какие так и останутся привлекательными, но технически или коммерчески не оправданными идеями. Однако можно констатировать, что трековая асимметричная пора уже принесла большую пользу, дав новое знание о нанокапиллярных явлениях. Это знание относится и к физической, и к коллоидной химии, и к наукам о жизни.
______
^* Всем, кто захочет заочно познакомиться с этим человеком удивительного обаяния и эрудиции, рекомендую его книгу "Поиск. Сущность человечества". Она есть в НТБ ОИЯИ.

Павел АПЕЛЬ, заместитель начальника Научно-исследовательского центра прикладной ядерной физики ЛЯР имени Г.Н.Флерова