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Schematic model depicting in-pore precipitation reaction in a solid-state nanopore.

Modèle schématique illustrant la réaction de précipitation dans les pores d'un nanopore à l'état solide. (Crédit : Makusu Tsutsui)

Une membrane « respirante » actionnée par la chimie ouvre et ferme seule ses nanopores

par La rédaction
2 mars 2026
en Nanotechnologie, Technologie

Les canaux ioniques sont des passages étroits qui jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus biologiques. Pour modéliser le mouvement des ions à travers ces espaces restreints, il est nécessaire de fabriquer des pores à des échelles de longueur très petites. Les régions les plus étroites des canaux ioniques peuvent ne mesurer que quelques ångströms de large, environ la taille d’atomes individuels, ce qui rend leur fabrication reproductible et précise un défi majeur de la nanotechnologie moderne.

Dans une étude publiée dans Nature Communications, des chercheurs de l’université d’Osaka ont relevé ce défi en utilisant un réacteur électrochimique miniature pour créer des pores ultra-petits approchant les dimensions subnanométriques.

Dans les cellules biologiques, les ions entrent et sortent par des canaux dans les membranes cellulaires. Ce flux ionique est à la base de la génération de signaux électriques, comme les impulsions nerveuses qui déclenchent la contraction musculaire. Les canaux eux-mêmes sont constitués de protéines et peuvent avoir des régions étroites de l’ordre de l’ångström. Des changements de conformation de ces protéines en réponse à des stimuli externes ouvrent et ferment les canaux.

Inspirés par ces systèmes biologiques, l’équipe de recherche a développé un analogue à l’état solide permettant la formation de pores subnanométriques approchant les dimensions des canaux ioniques biologiques. Un pore à l’échelle nanométrique a été utilisé comme réacteur pour former les pores subnanométriques. Tout d’abord, le nanopore a été créé dans une membrane de nitrure de silicium. L’application d’une tension négative à travers la membrane a induit une réaction dans le pore produisant un précipité. Le précipité a grandi jusqu’à bloquer complètement le pore. L’application d’une tension positive sur la membrane a provoqué la dissolution du précipité et la réouverture de voies conductrices à l’intérieur du pore.

« Nous avons pu répéter ce processus d’ouverture et de fermeture des centaines de fois sur plusieurs heures », explique le premier auteur Makusu Tsutsui. « Cela démontre que le schéma réactionnel est robuste et contrôlable. »

Retrouvez facilement Enerzine dans les actualités Google. G Ajouter Enerzine

L’équipe a mesuré le courant ionique à travers la membrane. Des pics de courant ont été observés, similaires à ceux des canaux biologiques. L’analyse de ces pics suggère que la formation du précipité correspond le mieux à la formation de nombreux pores subnanométriques au sein du nanopore.

« Nous avons pu varier le comportement et la taille effective des pores ultra-petits en modifiant la composition et le pH des solutions réactives », rapporte Tomoji Kawai, auteur principal. « Cela a permis le transport sélectif d’ions de tailles effectives différentes à travers la membrane en ajustant les tailles des pores ultra-petits. »

Le nouveau schéma réactionnel permet la formation de nombreux pores ultra-petits au sein d’un seul nanopore. Cette approche fournit un outil puissant pour réaliser des études fondamentales sur le transport des ions et des fluides dans des espaces très confinés aux échelles biologiques. Le système de membrane à commande chimique promet des applications dans des technologies émergentes telles que la détection de molécules uniques (par exemple, l’utilisation de nanopores pour séquencer l’ADN), l’informatique neuromorphique (utilisant des pics électriques pour imiter le comportement des neurones biologiques) et les nanoréacteurs (créant des conditions réactionnelles uniques grâce au confinement).

Article : Chemistry-driven autonomous nanopore membranes – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Osaka U.

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Tags: ionmembranenanoporereacteur
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Osaka, Japan – Ion channels are narrow passageways that play a pivotal role in many biological processes. To model how ions move through these tight spaces, pores need to be fabricated at very small length scales. The narrowest regions of ion channels can be just a few angstroms wide, about the size of individual atoms, making reproducible and precise fabrication a major challenge in modern nanotechnology.

In a study published in Nature Communications, researchers at The University of Osaka have addressed this challenge by using a miniature electrochemical reactor to create ultra-small pores approaching subnanometer dimensions.

In biological cells, ions flow in and out through channels in cell membranes. This ion flow is the basis for generating electrical signals, such as nerve impulses that trigger muscle contraction. The channels themselves are made of proteins and can have angstrom-wide narrow regions. Conformational changes of these proteins in response to external stimuli open and close the channels.

Inspired by these biological systems, the research team developed a solid-state analogue that enables the formation of subnanometer pores approaching biological ion-channel dimensions. A nanoscale pore was used as a reactor to form the subnanometer pores. First, the nanopore was created in a silicon nitride membrane. Applying a negative voltage across the membrane induced a reaction in the pore that produced a precipitate. The precipitate grew until the pore was completely blocked. Applying a positive voltage to the membrane caused the precipitate to dissolve and reopened conductive pathways within the pore.

“We were able to repeat this opening and closing process hundreds of times over several hours,” explains lead author Makusu Tsutsui. “This demonstrates that the reaction scheme is robust and controllable.”

The team measured the ion current through the membrane. There were spikes in the current, which have also been observed in biological channels. Analysis of these spikes suggests that precipitate formation is most consistent with the formation of many subnanometer pores within the nanopore.

“We were able to vary the behavior and effective size of the ultrasmall pores by changing the composition and pH of the reactant solutions,” reports Tomoji Kawai, senior author. “This enabled selective transport of ions of different effective sizes through the membrane by tuning the ultrasmall pore sizes.”

The novel reaction scheme enables the formation of many ultrasmall pores within a single nanopore. This route provides a powerful tool for performing fundamental studies on the transport of ions and fluids in highly confined spaces at biological scales. The chemically driven membrane system holds promise for applications in emerging technologies such as single-molecule sensing (e.g., using nanopores to sequence DNA), neuromorphic computing (using electrical spikes to mimic the behavior of biological neurons), and nanoreactors (creating unique reaction conditions through confinement).

###

The article, “Chemistry-driven autonomous nanopore membranes,” will be published in Nature Communications at DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68800-x

About The University of Osaka

The University of Osaka was founded in 1931 as one of the seven imperial universities of Japan and is now one of Japan's leading comprehensive universities with a broad disciplinary spectrum. This strength is coupled with a singular drive for innovation that extends throughout the scientific process, from fundamental research to the creation of applied technology with positive economic impacts. Its commitment to innovation has been recognized in Japan and around the world. Now, The University of Osaka is leveraging its role as a Designated National University Corporation selected by the Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology to contribute to innovation for human welfare, sustainable development of society, and social transformation.

Website: https://resou.osaka-u.ac.jp/en

Journal

Nature Communications

DOI

10.1038/s41467-026-68800-x

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Chemistry-driven autonomous nanopore membranes

Article Publication Date

18-Feb-2026

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