Біоінженери створили розумні фільтри на основі іонів

Дослідники з Університету Чикаго та Північно-Західного університету створили іонні канали, що імітують клітинні мембрани для селективного транспорту іонів у водних фільтрах.

У природі клітини контролюють транспорт іонів завдяки спеціалізованим білкам у мембранах — ці «хімічні охоронці» відкривають або закривають іонні канали відповідно до потреб організму. «Якщо ми зможемо зрозуміти процес транспорту іонів у біологічних системах і творчо маніпулювати ним у штучних, це значно просуне технологічний прогрес», — пояснив Чонг Лю. Його команда з Прітцкерської школи молекулярної інженерії разом з колегами з Північно-Західного університету відтворила біоміметичну систему, здатну регулювати потік калію залежно від присутності інших іонів. Додавання лише 1% іонів свинцю подвоїло проникнення калію через наноканал, демонструючи чутливу взаємодію іонів на атомному рівні.

Ключем до цього стали двовимірні канали розміром в ангстреми, в яких свинець, зв’язуючись з ацетатними групами стінок, змінює динаміку транспорту. «Найцікавіше в нашому дослідженні те, що ми показали, як різко може змінюватися транспорт іонів… навіть у незначній кількості», — відзначив Мінцжан Ван. Завдяки цьому калій і хлорид формують нейтральні пари, що проходять крізь канал без опору, на відміну від окремих іонів, які взаємодіють із зарядженими стінками. Цей кооперативний ефект є фундаментальним для розуміння іонного транспорту не лише в технічних, але й у біологічних системах.

Водночас дослідники відкрили можливість пригнічення транспорту: додавання іонів кобальту або барію змінювало взаємодії, зменшуючи кількість нейтральних пар. «Змінюючи комбінацію видів іонів, ми змогли перейти від кооперативного ефекту до гальмівного ефекту», — підкреслила Цінсі Сюн. Такий підхід відкриває перспективи не лише для очищення води, а й для селективного вилучення цінних речовин, таких як літій. Контрольований іонний транспорт — це інструмент для екологічно безпечних технологій, зокрема у сфері енергетики.

«Безумовно, наші протоколи можуть бути поширені на інші нанофлюїдичні системи», — зазначив Ван. Команда планує розширити дослідження на інші метали та елементи, що дозволить створити універсальні фільтри нового покоління. Це не лише приклад біоінженерії, але й вагомий внесок у фундаментальну фізику. На стику хімії, біології та матеріалознавства формується нова наука про керований молекулярний транспорт.