ナノチャネルは、イオンと分子の動きを制御するために使用できるナノスケールの毛穴またはチャネルです。彼らは、独自の特性や潜在的な用途のために、ナノテクノロジー、化学、生物学などの分野に大きな関心を集めています。ただし、ナノチャネルを介した特定のイオンの選択的輸送の背後にあるメカニズムを理解することは困難な作業です。
この研究では、東京大学の研究者と持続可能な資源科学センターの研究者は、自己組織化された環状ペプチドによって形成されたナノチャネルのイオン選択性を調査しました。分子ダイナミクスシミュレーションと自由エネルギー計算を使用して、カリウムイオンとナノチャネル壁との相互作用を調べ、他のアルカリ金属イオン（リチウム、ナトリウム、ルビジウム、セシウム）と比較しました。
シミュレーションにより、ナノチャネルが他のアルカリ金属イオンよりもカリウムイオンを強く好むことが明らかになりました。この選択性は、主にカリウムイオンとナノチャネルの内面の酸素原子との間の特定の相互作用に起因します。これらの相互作用は、カリウムイオンとナノチャネルの間の適切なサイズと電荷密度の一致により、他のアルカリ金属イオンと比較してカリウムイオンでより強力です。
さらに、この研究では、ナノチャネルは、高濃度の他のイオンの存在下でも、カリウムイオンと他のアルカリ金属イオンを効果的に区別できることがわかりました。この顕著な選択性は、カリウムイオンの結合と輸送に集合的に寄与するナノチャネル内の複数の酸素原子の協同効果に起因しています。
研究者はまた、イオン選択性に対するナノチャネルサイズと適用電圧の影響を調査しました。彼らは、ナノチャネルサイズが減少するにつれてイオン選択性がより顕著になることを発見し、ナノチャネル全体に適切な電圧バイアスを適用することでさらに強化できる。
この研究の結果は、ナノチャネルのイオン輸送メカニズムに関する貴重な洞察を提供し、選択的イオン輸送と分離の可能性を強調しています。この研究から得られた基本的な理解は、イオン分離膜、バイオセンサー、エネルギー効率の高い淡水化システムなど、さまざまな用途のナノチャネルの合理的な設計と最適化を導くことができます。
イオンとナノチャネルの壁の間の相互作用を操作することにより、特定のイオンの高度に選択的な輸送を実現することが可能です。これは、広範囲の技術的進歩で活用され、水の希少性、エネルギー消費、環境の持続可能性に関連する世界的な課題に貢献することができます。
