固定電荷を持つ合成ナノポアの孔構造と機能：先端形状と整流特性

以前の実験研究に基づいて、非対称ナノポアの構造（先端形状と寸法）と機能（選択性と整流）の関係に関する完全な理論的研究を提示します。理論モデルは、Nernst-Planck方程式に基づいた連続体アプローチを使用します。結果によると、電流電圧（I-V）特性、コンダクタンス、整流比、選択性などのナノポア輸送特性は、主に毛羽先の形状によって決定されます（弾丸のような、conical、トランペットを際立たせています。同様、ハイブリッド形状）と細孔表面電荷の濃度。結果として、実際のアプリケーションでのナノポアのパフォーマンスは、ベースとチップの開口部だけでなく、毛穴の形にも依存します。特に、細孔コンダクタンスから推定される細孔開口寸法は、想定される孔の形状に応じて、非常に異なる可能性があることを示しています。得られた結果は、ナノポア、ナノピペット、ナノ電極の設計にも実用的な関連性があります。ナノ構造に付随する電荷と内部ソリューションの減少容積に閉じ込められたモバイル電荷との間の電気的相互作用は、実用的なデバイスのパフォーマンスを指示します。アプリケーション。単一のトラックはナノポーラス膜の基本的なビルディングブロックであるため、個々の特性の理解と制御は、同一のナノポアのアレイを使用したタンパク質分離、水淡水化、および生体分子検出にも重要なはずです。

We present a complete theoretical study of the relationship between the structure (tip shape and dimensions) and function (selectivity and rectification) of asymmetric nanopores on the basis of previous experimental studies. The theoretical model uses a continuum approach based on the Nernst-Planck equations. According to our results, the nanopore transport properties, such as current-voltage (I-V) characteristics, conductance, rectification ratio, and selectivity, are dictated mainly by the shape of the pore tip (we have distinguished bullet-like, conical, trumpet-like, and hybrid shapes) and the concentration of pore surface charges. As a consequence, the nanopore performance in practical applications will depend not only on the base and tip openings but also on the pore shape. In particular, we show that the pore opening dimensions estimated from the pore conductance can be very different, depending on the pore shape assumed. The results obtained can also be of practical relevance for the design of nanopores, nanopipettes, and nanoelectrodes, where the electrical interactions between the charges attached to the nanostructure and the mobile charges confined in the reduced volume of the inside solution dictate the device performance in practical applications. Because single tracks are the elementary building blocks for nanoporous membranes, the understanding and control of their individual properties should also be crucial in protein separation, water desalination, and bio-molecule detection using arrays of identical nanopores.