Zellbiologie: Coulomb-Blockade gilt auch für Ionen

30. März 2016, 16:58 Uhr
Die Coulomb-Blockade gilt auch für Ionen
Die Coulomb-Blockade gilt auch für Ionen
Zellmembranen enthalten winzige Kanäle, die in der Lage sind, bestimmte Ionen mit großer Geschwindigkeit durchzulassen. Diese Kanäle spielen eine wichtige Rolle bei der Funktion von Neuronen und bei Herzmuskelzellen, doch auf Grund ihrer Komplexität sind bisher noch viele Fragen offen geblieben. Auf welche Weise werden die durchgelassenen Ionen ausgewählt? Wie kann man die hohe Leitfähigkeit der Durchgänge erklären, die es den Ionen erlaubt, sich mit solch hoher Geschwindigkeit zu bewegen? Forscher des Laboratory of Nanoscale Biology der École Polytechnique Fédérale in Lausanne (EPFL) haben gezeigt, dass der Transport von Ionen dem der Elektronen nicht unähnlich ist. Dies wurde an einem künstlichen Ionenkanal demonstriert, der aus einem weniger als ein Nanometer großem Loch in einer hauchdünnen Molybdänsulfid-Schicht (MoS2) bestand. Das Ganze wurde zwischen zwei Elektroden platziert, die sich in einer ionisierten Flüssigkeit befanden, wodurch zwei durch die Molybdänschicht getrennte Kammern entstanden. Durch das Anlegen einer Spannung konnten die Änderungen im Stromfluss zwischen den beiden Kammern gemessen werden.

In herkömmlichen Systemen, bei denen der Lochdurchmesser wesentlich größer ist (> 1nm), wird der Ionenfluss niemals vollständig unterbrochen. Mit ihrem System jedoch haben die Forscher Energie-Löcher entdeckt, bei denen die Ionen zunächst zurückgehalten wurden, bevor sie bei ausreichend hoher Spannung die dünne Öffnung passierten. Diese Art des Ionentransports kann durch die sogenannte Coulomb-Blockade erklärt werden, die auch beim Transport von Elektronen in den sogenannten quantum dots bei Halbleitern auftritt. Dabei werden die Elektronen so lange gespeichert, bis sie ab einem bestimmten Grenzwert Platz für „Neuankömmlinge“ machen müssen. Aus den oben beschriebenen Experimenten ist also ersichtlich geworden, dass die Coulomb-Blockade auch für den Ionentransport durch Nanoporen gilt. Dieses Experiment öffnet völlig neue Tore zu Ionentransport-Experimenten von der Molekularebene bis hin zum makroskopischen Bereich.

Quelle: Feng J, Liu K, Graf M, Dumcenco D, Kis A, Di Ventra M, & Radenovic A., Observation of Ionic Coulomb Blockade in Nanopores, Nature Materials
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