کدام روش جذاب‌ترین و بهترین روش ساخت نانوحفره‌ها است؟

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، براساس یک تعریف ساده، نانوحفره‌ها سوراخ‌های در اندازه نانومتر در غشای عایق هستند. این حفره‌ها به یون‌ها اجازه می‌دهند در هنگام اعمال ولتاژ از غشا عبور کرده و جریان قابل اندازه‌گیری را ایجاد کنند.

وقتی یک مولکول از یک نانوحفره عبور می‌کند، باعث تغییر در این جریان می‌شود که این موضوع می‌تواند برای تعیین مشخصات و حتی شناسایی تک مولکول‌ها مورد استفاده قرار گیرد. نانوحفره‌ها دستگاه‌های زیست‌حسگری تک مولکولی فوق‌العاده قدرتمندی هستند و می‌توان از آن‌ها برای تشخیص و توالی DNA، RNA و حتی پروتئین‌ها استفاده کرد. به تازگی از آن‌ها در توالی‌یابی ویروس SARS-CoV-۲ استفاده شده است.

نانوحفره‌های حالت جامد بسیار متنوع هستند و در غشا‌های فوق نازک (کمتر از ۵۰ نانومتر) تشکیل می‌شوند و از موادی مانند نیترید سیلیکون (SiNx) ساخته می‌شوند. نانوحفره‌های حالت جامد را می‌توان با طیف وسیعی از قطر‌ها ایجاد کرد و این حفره‌ها می‌تواند در برابر بسیاری از شرایط مقاومت کند. یکی از جذاب‌ترین روش‌های ساخت نانوحفره‌ها، شکست کنترل شده (CBD) است. این روش سریع بوده، هزینه‌های ساخت را کاهش می‌دهد، نیازی به تجهیزات تخصصی ندارد و می‌تواند خودکار باشد.

CBD روشی است که در آن یک میدان الکتریکی در غشا به‌منظور به وجود آوردن جریان ایجاد می‌شود. در نقطه‌ای، جهش در جریان مشاهده می‌شود که نشان دهنده تشکیل حفره است. سپس ولتاژ به سرعت کاهش می‌یابد تا از ساختن یک نانوحفره کوچک اطمینان حاصل شود.

ساز و کار‌های این فرایند به‌ طور کامل روشن نشده‌ است؛ بنابراین، یک تیم بین‌المللی شامل ITQB NOVA تصمیم گرفت تا بیشتر بررسی کند که چگونه در هنگام تشکیل حفره، رسانایی الکتریکی از طریق غشا رخ می‌دهد، یعنی چگونه واکنش‌های اکسیداسیون و احیاء بر روند تولید نانوحفره تأثیر می‌گذارد.

برای انجام این کار، این تیم، سه نانوحفره ایجاد کرد که در آن‌ها میدان الکتریکی به غشاء (غشای SiNx غنی از سیلیکون) به روش‌های مختلف اعمال می‌شود: از طریق الکترود‌های فلزی در دو طرف غشا، از طریق محلول‌های الکترولیت در دو طرف غشا و از طریق یک ترکیبی که در آن یک الکترود فلزی در یک طرف و محلول الکترولیت در طرف دیگر جریان اعمال می‌کنند.

نتایج نشان داد که واکنش‌های اکسیداسیون و احیا باید در سطح مشترک غشای/الکترولیت رخ دهد، در حالی که الکترود‌های فلزی این نیاز را دور می‌زنند. این تیم همچنین نشان داد که به دلیل این پدیده، ساخت نانوحفره را می‌توان با انجام CBD با میکروالکترود‌های فلزی روی سطح غشاء در مناطق خاصی قرار داد. سرانجام، با تغییر محتوای سیلیکون در غشاء، محققان نشان دادند که رسانایی و تشکیل نانوحفره به شدت به مواد غشا وابسته است، زیرا جریان الکتریکی در غشا را محدود می‌کند.

گفتنی است؛ نتایج این تحقیق در مجله Small منتشر شده است.