Các lỗ nano hoạt động như những cổng điện.

Các protein tạo lỗ chân lông được tìm thấy khắp nơi trong tự nhiên. Ở người, chúng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống miễn dịch, trong khi ở vi khuẩn, chúng thường hoạt động như chất độc tạo ra các lỗ trên màng tế bào. Những lỗ sinh học này cho phép các ion và phân tử đi qua màng. Khả năng độc đáo của chúng trong việc kiểm soát sự vận chuyển phân tử cũng đã biến chúng thành những công cụ nanopore mạnh mẽ trong công nghệ sinh học, ví dụ như trong giải trình tự DNA và cảm biến phân tử.

Mặc dù có tầm quan trọng và tác động lớn đến công nghệ sinh học, các lỗ nano sinh học cũng có thể thể hiện những hành vi phức tạp và khó lường; ví dụ, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ cách các ion di chuyển qua chúng hoặc tại sao dòng ion đôi khi lại dừng lại.

Hai hiện tượng đặc biệt gây khó hiểu cho các nhà nghiên cứu trong nhiều năm qua là hiện tượng chỉnh lưu, trong đó dòng ion thay đổi tùy thuộc vào “dấu” (dương hoặc âm) của điện áp đặt vào, và hiện tượng đóng mở cổng, trong đó dòng ion giảm đột ngột. Cả hai hiệu ứng, đặc biệt là hiện tượng đóng mở cổng, đều gây cản trở các ứng dụng cảm biến nhưng vẫn chưa được hiểu rõ.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Matteo Dal Peraro và Aleksandra Radenovic dẫn đầu tại EPFL đã khám phá ra cơ sở vật lý cho những hiệu ứng này. Bằng cách kết hợp các thí nghiệm, mô phỏng và lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả quá trình chỉnh lưu và điều khiển đều được kiểm soát bởi điện tích của chính lỗ nano, và cách các điện tích đó tương tác với các ion chảy qua lỗ.

Các mô phỏng của tính dẻo dai của khớp thần kinh

Nghiên cứu cho thấy hiện tượng chỉnh lưu xảy ra do cách các điện tích lót bên trong lỗ xốp ảnh hưởng đến sự di chuyển của ion. Sự phân bố điện tích làm cho các ion dễ dàng đi qua theo một hướng hơn hướng khác, giống như một van một chiều. Mặt khác, hiện tượng đóng mở cổng xảy ra khi một dòng ion lớn dẫn đến sự mất cân bằng điện tích làm mất ổn định cấu trúc của lỗ xốp, khiến một phần của lỗ xốp tạm thời bị sụp đổ, chặn dòng chảy của ion.

Cả hai hiệu ứng đều phụ thuộc không chỉ vào lượng điện tích, mà còn vào vị trí chính xác của nó trong lỗ nano và liệu nó là điện tích dương hay âm. Bằng cách thay đổi “dấu” điện tích, các nhà khoa học có thể điều chỉnh thời điểm và điều kiện mở lỗ. Họ cũng phát hiện ra rằng nếu cấu trúc của lỗ trở nên cứng hơn, nó sẽ ngừng mở hoàn toàn, khẳng định rằng tính linh hoạt của lỗ đóng vai trò quan trọng.

Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương pháp để tinh chỉnh các lỗ nano sinh học cho các nhiệm vụ cụ thể. Ví dụ, các kỹ sư giờ đây có thể thiết kế các lỗ nano hầu như không cần cơ chế đóng mở trong cảm biến lỗ nano, trong khi đối với các ứng dụng khác như điện toán lấy cảm hứng từ sinh học, cơ chế đóng mở có thể được tận dụng. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một lỗ nano mô phỏng tính dẻo dai của khớp thần kinh, “học hỏi” từ các xung điện áp giống như một khớp thần kinh. Những hệ thống như vậy một ngày nào đó có thể trở thành nền tảng của các bộ xử lý dựa trên ion.

Những người đóng góp khác

• Viện Khoa học và Công nghệ Áo
• Đại học Washington
• ENS de Lyon