[論文レビュー] Complete steric exclusion of ions and proton transport in two-dimensional water

K. Gopinadhan, Sheng Hu+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2018

Nanopore and Nanochannel Transport Studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、塊体結晶から1つの原子平面を除去することで形成される原子スケールのキャピラリーに閉じ込められた二次元水が、Na+ や Cl− などの水和イオンを完全に空間的遮断することを示している。一方で、プロトン（H+）の輸送は選択的に許容される。高さ数Åのこのキャピラリーは、高速な水透過を可能にするが、最小の水和イオン即ち完全に遮断され、生物学的アクアポリンの選択性を模倣する。

ABSTRACT

It has long been an aspirational goal to create artificial structures that allow fast permeation of water but reject even the smallest hydrated ions, replicating the feat achieved by nature in protein channels (e.g., aquaporins). Despite recent progress in creating nanoscale pores and capillaries, these structures still remain distinctly larger than protein channels. We report capillaries made by effectively extracting one atomic plane from bulk crystals, which leaves a two-dimensional slit of a few angstroms in height. Water moves through these capillaries with little resistance, whereas no permeation could be detected even for such small ions as Na+ and Cl-. Only protons (H+) can diffuse through monolayer water inside the capillaries. These observations improve our understanding of molecular transport at the atomic scale.

研究の動機と目的

• 生物学的アクアポリンのイオン遮断性と水透過性を再現する人工ナノチャネルの開発を目的とする。
• 既存のナノフラウディック構造では、小さな水和イオンを遮断できないという限界を克服することを目的とする。
• 原子的に薄い二次元キャピラリーを介した水およびイオンの輸送挙動を調査することを目的とする。
• これらのキャピラリー内におけるモノレイヤー水を介したプロトン（H+）の選択的透過性を調査することを目的とする。

提案手法

• 塊体結晶から単一の原子平面を剥離することで二次元キャピラリーを形成し、高さ数Åのナノスケールのスリットを生成する。
• 原子スケールの閉じ込めを用いて、天然のアクアポリンと同等の寸法を有する水チャネルを構築する。
• 空間的遮断の評価のため、イオン透過度を高感度検出技術を用いて測定する。
• モノレイヤー水層内を通過するH+の拡散をモニタリングすることで、プロトン輸送を評価する。
• 天然および合成ナノチャネルと比較して、水透過性およびイオン遮断性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元材料から形成される二次元キャピラリーは、水和イオンを完全に空間的遮断できるか？
• RQ2 これらのキャピラリーを介した水の輸送は、より大きなナノチャネルと比較してどのように異なるか？
• RQ3 なぜプロトン（H+）はキャピラリーを透過するが、他のイオンは完全に遮断されるのか？
• RQ4 これらのキャピラリーにおける原子スケールの閉じ込めは、生物学的アクアポリンの機能をどの程度模倣するのか？

主な発見

• キャピラリーは、Na+ および Cl− イオンの完全な空間的遮断を示し、モノレイヤー水チャネルを通じて検出可能な透過は認められなかった。
• 水は極めて低い抵抗で通過しており、狭い寸法にもかかわらず高い透過性を示している。
• 観察された唯一のイオン透過はプロトン（H+）の輸送であり、他の水和イオンよりも選択的に透過していることが示された。
• 合成された構造でありながらも、塊体結晶から作られた本システムは、生物学的アクアポリンと同等のイオン選択性を達成している。