يعد إدخال المركبات عبر أغشية الخلايا أمرًا ضروريًا للعديد من العمليات الحياتية، على سبيل المثال: الإشارات الكهربائية في الخلايا العصبية والعضلات والمشابك العصبية. يحاكي باحثون من لورانس ليفرمور هذه العملية باستخدام أغشية اصطناعية مكونة من أنابيب الكربون النانوية، مع تجاويف أصغر بـ 100 ألف مرة من شعرة الإنسان.
يعد إدخال المركبات عبر أغشية الخلايا أمرًا ضروريًا للعديد من العمليات الحياتية، على سبيل المثال: الإشارات الكهربائية في الخلايا العصبية والعضلات والمشابك العصبية.
في الأنظمة البيولوجية، غالبًا ما تتكون أغشية الخلايا من أسطح داخلية ناعمة مع مناطق ترشيح انتقائية تحتوي على قنوات بروتينية محددة بحجم أقل من نانومتر. تنظم هذه المساحات حركة المرور الخلوية وتسمح لبعض أصغر المركبات في العالم بعبور الغشاء بنجاح بسرعة، بينما تمنع في الوقت نفسه المركبات الصغيرة الأخرى أو الأيونات من القيام بذلك. وقام باحثون من مختبر لورانس ليفرمور الوطني بتقليد هذه العملية باستخدام أغشية اصطناعية مكونة من أنابيب الكربون النانوية، وبها تجاويف أصغر بمئة ألف مرة من شعرة الإنسان.
كما تمكن الباحثون من تحديد آلية رفض هذه التجاويف. يقول الباحث الرئيسي: "يمكن لأنابيب الكربون النانوية ذات القطر الصغير الكارهة للماء أن توفر نموذجًا بسيطًا لهذه القنوات الغشائية عن طريق محاكاة الخصائص الأساسية في قالب أبسط وأكثر صلابة". واكتشف الباحثون أن قطرات الماء تتحرك بسرعة عبر أنابيب الكربون النانوية، ولا "تلتصق" بالسطح الداخلي الزلق للأنبوب، بطريقة تشبه سلوكها في القنوات البيولوجية. تتحرك جزيئات الماء على شكل سلسلة، أو عنقود كالعنقود، وهذا بسبب التجاذب القوي بينها نتيجة الروابط الهيدروجينية. يقول أحد الباحثين في الفريق: "يمكن رسمها كنوع من قطارات الشحن الصغيرة من الضفادع المائية المتصلة كسلاسل "تطير" بسرعة عالية عبر قناة ضيقة من الأنابيب النانوية".
أحد التطبيقات الواعدة لأغشية الأنابيب النانوية الكربونية هو تحلية مياه البحر. وفي المستقبل، ستكون هذه الأغشية قادرة على استبدال الأغشية الشائعة اليوم وتوفير الكثير من الطاقة في تحلية المياه. وفي الدراسة الحالية، سعى الباحثون إلى فحص ما إذا كانت الأغشية ذات التجاويف التي يبلغ حجمها 1.6 نانومتر تطرد الأيونات التي تشكل الأملاح الشائعة. في الواقع، قامت التجاويف بطرد الأيونات وتمكن الفريق من فهم الآلية المعنية. يقول فرانشيسكو فورناسيرو، أحد أعضاء فريق البحث: "تظهر دراستنا أن القنوات ذات التجاويف التي يبلغ متوسط قطرها 1.6 نانومتر تطرد الأملاح بسبب الشحنة الكهربائية الموجودة في نهايات هذه الأنابيب النانوية الكربونية".
إن التدفق السريع خلال تجاويف أنابيب الكربون النانوية يجعل الأغشية المكونة لها أكثر نفاذية من الأغشية التي لها نفس حجم التجويف. ومع ذلك، وكما هو الحال مع الأغشية الشائعة الأخرى، فإن هذا النوع يطرد الأيونات والجسيمات الأخرى نتيجة للتأثير المشترك لحجم الفوهات والشحنة الكهربائية فيها. سيتمكن الباحثون الآن من بناء أغشية أكثر كفاءة مع التحكم بدقة في قطر الفراغات والشحنة الكهربائية فيها والمواد المختلفة التي سيتم ملؤها في الفراغات بينها.
