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Voltage controlled iontronic switches: a computational method to predict electrowetting in hydrophobically gated nanopores

电润湿 纳米孔 纳米流体学 纳米技术 电压 门控 材料科学 记忆电阻器 离子通道 微流控 化学物理 化学 电子工程 电气工程 工程类 生物物理学 生物化学 受体 生物
作者
Gonçalo Paulo,Alberto Gubbiotti,Giovanni Di Muccio,Alberto Giacomello
出处
期刊:International Journal of Smart and Nano Materials [Taylor & Francis]
卷期号:15 (1): 165-185 被引量:1
标识
DOI:10.1080/19475411.2023.2300332
摘要

Reliable and controllable switches are crucial in nanofluidics and iontronics. Ion channels found in nature serve as a rich source of inspiration due to their intricate mechanisms modulated by stimuli like pressure, temperature, chemical species, and voltage. The artificial replication of the properties of these channels is challenging due to their complex chemistry, limited stability range, and intricate moving parts, allosterically modulated. Nonetheless, we can harness some of the gating mechanisms of ion channels for nanofluidic and iontronic purposes. This theoretical and computational study explores the use of electrowetting in simple hydrophobic nanopores to control their conductance using an external applied voltage. We employ restrained molecular dynamics to calculate the free energy required for wetting a model nanopore under different voltages. Utilizing a simple theory, we generate free energy profiles across a wide voltage range. We also computed transition rates between conductive and non-conductive states, showing their voltage dependence and how this behavior can impair memory to the system, resembling the memristor behavior voltage-gated channels in the brain. The proposed framework provides a promising avenue for designing and controlling hydrophobic nanopores via electrowetting, enabling potential applications in neuromorphic iontronics.
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