伊利諾伊大學(xué)厄巴納的研究人員開(kāi)發(fā)了關(guān)于在高梯度電場(chǎng)下壓縮水的新理論。他們發(fā)現(xiàn)，施加在石墨烯膜上的小孔中的高電場(chǎng)會(huì)使穿過(guò)孔的水分子壓縮3％。預(yù)測(cè)水的壓縮可能最終證明在用于生物醫(yī)學(xué)研究的生物分子的高精度過(guò)濾中是有用的。

該團(tuán)隊(duì)評(píng)論說(shuō)：“這是一個(gè)意想不到的現(xiàn)象，與我們認(rèn)為的納米孔運(yùn)輸相反。花了三年的時(shí)間才弄清楚模擬給我們帶來(lái)了什么。在探索了許多潛在的解決方案后，我們實(shí)現(xiàn)了突破。我們不應(yīng)該認(rèn)為水是不可壓縮的。現(xiàn)在我們了解計(jì)算機(jī)模擬中發(fā)生了什么，我們能夠在理論計(jì)算中重現(xiàn)這種現(xiàn)象?！?br/>
科學(xué)家們進(jìn)行了這項(xiàng)研究，以測(cè)試石墨烯-納米孔DNA測(cè)序中的新方法。在過(guò)去的幾年中，石墨烯納米孔已經(jīng)顯示出廉價(jià)DNA測(cè)序的巨大希望。它的工作原理是將DNA懸浮在水中，然后通過(guò)電場(chǎng)通過(guò)石墨烯膜上的一個(gè)小孔拉出DNA，水和離子。施加在石墨烯片上的電場(chǎng)吸引溶解的離子和任何帶電粒子（DNA是帶負(fù)電的粒子）。DNA的四個(gè)核堿基被讀作每個(gè)獨(dú)特形狀的核堿基產(chǎn)生的離子流的差異。

孔的尺寸和薄片的厚度對(duì)于這種方法是至關(guān)重要的。石墨烯片僅為一個(gè)原子厚度，納米孔的直徑僅為約3納米或10個(gè)原子的寬度，并且DNA分子的寬度為約2納米。

在這項(xiàng)研究中，教授和他的博士后研究員開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)一種計(jì)算模型，使他們能夠控制DNA通過(guò)石墨烯納米孔的傳輸速度。他們知道增加施加的電場(chǎng)應(yīng)該以相同的倍數(shù)增加傳輸速度，但是當(dāng)它們將場(chǎng)增加十倍時(shí)，DNA被完全阻止通過(guò)該孔。

威爾遜描述了他在模擬中看到的內(nèi)容：“我們?cè)噲D看看我們是否改變了石墨烯片上的電荷，是否會(huì)像預(yù)測(cè)的那樣改變DNA的捕獲率。我們的模擬結(jié)果表明，DNA正如預(yù)期的那樣通過(guò)納米孔在較低的電場(chǎng)，但是當(dāng)你施加1伏特時(shí)，DNA看起來(lái)像是在它想要通過(guò)的納米孔上方跳舞，但由于某種原因它不能。

“事實(shí)證明，電場(chǎng)的梯度是壓縮水的因素，因?yàn)樗请娊橘|(zhì)。非常高的電場(chǎng)不會(huì)這樣做，只有一個(gè)在空間上變化的場(chǎng)。水分子上的電荷與在電場(chǎng)最弱的地方，電場(chǎng)拉近的電荷比電場(chǎng)最弱的地方的電荷拉得更厲害?！?br/>
“所有這一切都有效，因?yàn)槟し浅１?，電?chǎng)集中在膜的兩側(cè)，從兩側(cè)壓縮水分子。壓縮僅為3％，但對(duì)水加壓-它相當(dāng)于到100個(gè)大氣壓-并且壓力基本上將DNA推回，使其不能穿過(guò)納米孔“。

威爾遜繼續(xù)說(shuō)道，“一旦我們弄清楚實(shí)際發(fā)生的是水的壓縮，我們就會(huì)與使用石墨烯納米孔的實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行交談。我們已經(jīng)了解到這種現(xiàn)象可能已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中觀(guān)察到了。顯然人們已經(jīng)看到了它，但是他們無(wú)法解釋它。需要重復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證我們的理論?！?br/>
“我們最初開(kāi)始使用這項(xiàng)工作進(jìn)行DNA測(cè)序。但現(xiàn)在我們認(rèn)為我們可以用它來(lái)識(shí)別和分離非常相似但有一些小差別的生物分子。例如，你可以有很多相同的蛋白質(zhì)，但有些可能帶有一個(gè)非常小的標(biāo)記-一個(gè)翻譯后修飾-改變它的電荷。只有一個(gè)電子的差異將決定分子是否通過(guò)納米孔，因?yàn)檫@是電荷的函數(shù)。所以我們可能會(huì)使用這種新的水壓現(xiàn)象可以非常精確地過(guò)濾生物分子?！?/p>