Nanomembrane – Prave dvodimenzionalne strukture


Umetnički pogled na biološku nanomembranu sa veštačkim jonskim kanalima

Sav život na našoj planeti oslanja se na nanomembrane. Stoga nije iznenađujuće da su biološke nanomembrane, odnosno ćelijske membrane, najsloženije membrane koje poznajemo. Sa debljinom manjom od 100 nm, biološke nanomembrane odvajaju citoplazmu živih ćelija od okoline, dok u isto vreme obavljaju aktivnu razmenu materije između ćelije i njene okoline. Današnja nauka još uvek je daleko od potpunog razumevanja svih procesa koji se odvijaju u biološkim nanomembranama.

 

Nanomembrane se definišu kao slobodno stojeće strukture sa debljinom u rasponu od 1 do 100 nm i izuzetno velikim odnosom površine prema debljini. Da bismo shvatili o koliko tankim strukturama se radi, možemo uočiti da, pošto je prečnik jednog atoma oko 0,3 nm, nanomembrana debljine 10 nm ima debljinu od svega oko 30 slojeva atoma. Sa druge strane, ovakva struktura ima veoma veliku površinu za svoju debljinu: nanomembrana debljine od 10 do 40 nm može imati površinu od čak nekoliko kvadratnih centimetara! Kao što se od nanotehnologije i očekuje, ovoliko tanke strukture pokazuju neobične i nove osobine, kakve se ne sreću kod materijala makroskopskih dimenzija. Ovo čini nanomaterijale nezamenljivim u mnogim primenama kao što su optika, senzori ili biomedicina.

 

Međutim, da bi se primenile, nanomembrane se prvo moraju funkcionalizovati. Danas postoje četiri glavna načina za funkcionalizaciju: projektovanje laminiranih nanomembrana od naizmenično ugrađenih slojeva različitih materijala, ugradnja aktivnih nanočestica u strukturu nanomembrane, ugradnja finih nanokanala, i modifikacija površine. Pošto se ove metode mogu međusobno i kombinovati, otvaraju se praktično neograničene mogućnosti za funkcionalizaciju nanomembrana. Vreme u kom će biti moguće konstruisati nanomembrane sa složenom strukturom bioloških membrana ali i sa mehaničkim osobinama koje prevazilaze prirodne membrane nije daleko, i istraživači Instituta BioSens aktivno rade na tome.

 

Poseban fokus istraživanja na Institutu BioSens jeste na razvoju i funkcionalizaciji nanomembrana za primene u senzorima. Pošto se nanomembrane odlikuju veoma velikim odnosom površine prema debljini, a samim tim i zapremini, ovakvi senzori mogu imati veliku aktivnu površinu sadržanu u maloj zapremini, zahvaljujući čemu su ujedno visoko osetljivi i minijaturni. Ovakav potencijal pokazuju kako 0-dimenzionalne nanostrukture (nanotačke i nanokavezi) i 1-dimenzionalne strukture (nanocevi i nanožice), tako i 2-dimenzionalne strukture u koje spadaju veoma tanki filmovi i nanomembrane. Istraživači Instituta Biosens razvijaju različite nanostrukture kao senzorske elemenate koji će omogućiti detekciju izuzetno niskih koncentracija određenih materija – zagađivača u našoj okolini ili aditiva i toksina u hrani – kao i projektovanje nanostruktuiranih senzora za utvrđivanje prisustva kompleksnih jedinjenja kao što su različiti hemijski i biohemijski agensi.

Slika veštačke nanomembrane. Nanomembrana je veličine 2 x 3 mm, debljine 7 nm i prečnik rupe je 50 nm dobijena skenirajućim elektronskim mikroskopom