Супертонкий фильтр, толщиной 50 атомов, разделяет отдельные макромолекулы

 


Недавно разработанная пористая мембрана может коренным образом изменить способы, с помощью которых врачи и ученые изучают объекты микромира.

Фильтр толщиной 50 атомов выдерживает внезапный скачок давления и в перспективе может сыграть ключевую роль в более тонкой очистке крови у пациентов, зависимых от процедуры диализа, в ускорении ионного обмена в топливных элементах, в создании новой среды для выращивания стволовых клеток, в очищении воздуха и воды на наноуровне в больницах, операционных.

Новая мембрана в тысячи раз тоньше схожих образцов, используемых в настоящее время, что соответствует одной четырехтысячной толщины человеческого волоса.

«Это невероятно. Мы получили материал такой же толщины, как и молекулы, которые он сортирует. Он изобилует порами, но способен выдержать достаточное давление, чтобы использование нанофильтрации можно было сделать обычной практикой, - рассказывает Кристофер Штример (Christopher Striemer), один из создателей мембраны. - Такая ультратонкость ведет к повышению эффективности и уменьшению неизбежных потерь. Так что мы способны создавать вещи, которые не могли быть получены при использовании применяемых в настоящее время материалов».

Мембрана представляет собой 15-нанометровый слой кристалла кремния, материала, который сейчас используется в производстве компьютерных микрочипов. В лаборатории Филиппа Фоше (Philippe Fauchet), профессора Университета Рочестера, Штример открыл мембрану, когда изучал процесс роста кристаллов кремния при термическом обжиге.

Риcунок 1 - Подложка со 160 мембранами. Он использовал кристалл толщиной около 50 атомов, т.к. это давало возможность увидеть в электронный микроскоп структуру образца, сформированного при различных температурных режимах.

Поры мембраны, диаметр которых варьируется от 9 до 30 нм, формируются при быстром термическом обжиге из спонтанно образующихся пустот, в то время как нанокристаллы кремния зарождаются и растут на аморфной пленке, подложке толщиной 15 нм. Пустоты пронизывают мембрану насквозь, формируя поры. Пленки из pnc-Si очень прочные и способны противостоять атмосферному давлению, не разрушаясь и не подвергаясь пластической деформации.

В сотрудничестве со Штримером и Фоше, Джеймс Л. МакГрэт (James L. McGrath), ассистент профессора биоинженерии и его студент, Том Габорски, установили, что нанометровые дырки мембраны делают отделение таких малых объектов, как белки, более эффективным, чем сейчас.

Риcунок 2 - Сортировка молекул мембраной.Существующие фильтры молекулярного уровня основаны на полимерной технологии. Поры в полимере представляют собой спиралевидные тоннели. Время на их прохождение молекулами увеличивается, что приводит к сильному засорению.

Во время проверки мембраны Габорски разделил два простых белка, масса и формы которых отличаются незначительно: бычий сывороточный альбумин и гамма-имунноглобулин. Через шесть минут альбумин был успешно отделен, в то время как при использовании коммерчески доступных мембран на это потребовались бы часы.

Для дальнейшего совершенствования мембраны и разработки перспективных методов диализа крови группе исследователей Университета Рочестера компанией Johnson & Johnson недавно был выделен грант в размере $100,000.

Уже намечены интересные исследования, предусматривающие использование наномембран в качестве материала для выращивания стволовых клеток, различных видов живых тканей.

Риcунок 3 - Вид мембраны через электронный микроскоп.

Федеральный информационно-аналитический центр "Нанотехнологии и наноматериалы"