[논문 리뷰] Complete steric exclusion of ions and proton transport in two-dimensional water

K. Gopinadhan, Sheng Hu외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 22.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 두께가 원자 크기인 나선형 캡일러리에 갇힌 2차원 수소결합 구조에서 Na+와 Cl−과 같은 수화 이온이 완전히 공간적 차단을 받는 반면, 수소 이온(H+)은 선택적으로 통과하는 현상을 입증한다. 이 캡일러리들은 몇 옹스트롬 높이의 나노스케일 슬릿을 형성하여 빠른 물 통과를 가능하게 하지만, 가장 작은 수화 이온조차도 차단하며 생물학적 아쿠아포린의 선택성을 모방한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적 아쿠아포린의 이온 차단 및 물 통과 성질을 재현하는 인공 나노채널을 개발하기 위해.
• 기존의 나노유체 구조물은 너무 크기 때문에 작은 수화 이온을 차단하지 못하는 한계를 극복하기 위해.
• 원자 두께의 얇은 2차원 캡일러리에서 물과 이온의 이동 거동을 탐구하기 위해.
• 이러한 캡일러리 내 단일층 수소결합에서 수소 이온(H+)의 선택적 통과성에 대해 연구하기 위해.

제안 방법

• 다층 결정에서 한 원자 평면을 분리하여 나노스케일 슬릿이 몇 옹스트롬 높이인 2차원 캡일러리를 제작하는 것.
• 원자 크기의 구속 조건을 이용하여 자연 아쿠아포린과 유사한 치수를 가진 수소결합 채널을 만드는 것.
• 공간적 차단 성능를 평가하기 위해 민감한 검출 기술을 사용해 이온 통과 성능을 측정하는 것.
• 캡일러리 내 단일층 수소결합층을 통과하는 H+ 이동을 모니터링하여 수소 이온 이동 성능를 평가하는 것.
• 자연 및 합성 나노채널과의 비교를 통해 물 통과성과 이온 차단 성능를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 물질에서 형성된 2차원 캡일러리가 수화 이온을 완전히 공간적으로 차단할 수 있는가?
• RQ2 이러한 캡일러리에서의 물 이동은 더 큰 나노채널과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 왜 수소 이온(H+)은 통과되지만 다른 이온들은 완전히 차단되는가?
• RQ4 이러한 원자 크기의 구속 조건이 생물학적 아쿠아포린의 功能을 어느 정도 모방하는가?

주요 결과

• 캡일러리는 Na+와 Cl− 이온 모두에 대해 완전한 공간적 차단을 보이며, 단일층 수소결합 채널을 통과하는 이온은 검출되지 않았다.
• 좁은 치수에도 불구하고 물 이동에 거의 저항이 없어 높은 통과성(수분성)을 나타낸다.
• 관찰된 유일한 이온 통과는 수소 이온(H+)의 이동이었으며, 이는 다른 수화 이온보다 수소 이온의 선택적 이동을 시사한다.
• 이 시스템은 자연 아쿠아포린과 유사한 이온 선택성을 확보했으며, 이는 합성 구조물임에도 불구하고 다층 결정에서 제작된 점을 감안할 때 놀라운 성과이다.