石墨烯被发现膜上的小孔中的电场可以压缩水分子

伊利诺伊大学厄巴纳的研究人员开发了关于在高梯度电场下压缩水的新理论。他们发现，施加在石墨烯膜上的小孔中的高电场会使穿过孔的水分子压缩3％。预测水的压缩可能最终证明在用于生物医学研究的生物分子的高精度过滤中是有用的。

该团队评论说：“这是一个意想不到的现象，与我们认为的纳米孔运输相反。花了三年的时间才弄清楚模拟给我们带来了什么。在探索了许多潜在的解决方案后，我们实现了突破。我们不应该认为水是不可压缩的。现在我们了解计算机模拟中发生了什么，我们能够在理论计算中重现这种现象。“

科学家们进行了这项研究，以测试石墨烯-纳米孔DNA测序中的新方法。在过去的几年中，石墨烯纳米孔已经显示出廉价DNA测序的巨大希望。它的工作原理是将DNA悬浮在水中，然后通过电场通过石墨烯膜上的一个小孔拉出DNA，水和离子。施加在石墨烯片上的电场吸引溶解的离子和任何带电粒子（DNA是带负电的粒子）。DNA的四个核碱基被读作每个独特形状的核碱基产生的离子流的差异。

孔的尺寸和薄片的厚度对于这种方法是至关重要的。石墨烯片仅为一个原子厚度，纳米孔的直径仅为约3纳米或10个原子的宽度，并且DNA分子的宽度为约2纳米。

在这项研究中，教授和他的博士后研究员开始着手开发一种计算模型，使他们能够控制DNA通过石墨烯纳米孔的传输速度。他们知道增加施加的电场应该以相同的倍数增加传输速度，但是当它们将场增加十倍时，DNA被完全阻止通过该孔。

威尔逊描述了他在模拟中看到的内容：“我们试图看看我们是否改变了石墨烯片上的电荷，是否会像预测的那样改变DNA的捕获率。我们的模拟结果表明，DNA正如预期的那样通过纳米孔在较低的电场，但是当你施加1伏特时，DNA看起来像是在它想要通过的纳米孔上方跳舞，但由于某种原因它不能。

“事实证明，电场的梯度是压缩水的因素，因为水是电介质。非常高的电场不会这样做，只有一个在空间上变化的场。水分子上的电荷与在电场最弱的地方，电场拉近的电荷比电场最弱的地方的电荷拉得更厉害。“

“所有这一切都有效，因为膜非常薄，电场集中在膜的两侧，从两侧压缩水分子。压缩仅为3％，但对水加压-它相当于到100个大气压-并且压力基本上将DNA推回，使其不能穿过纳米孔“。

威尔逊继续说道，“一旦我们弄清楚实际发生的是水的压缩，我们就会与使用石墨烯纳米孔的实验者进行交谈。我们已经了解到这种现象可能已经在实验室中观察到了。显然人们已经看到了它，但是他们无法解释它。需要重复实验来验证我们的理论。“

“我们最初开始使用这项工作进行DNA测序。但现在我们认为我们可以用它来识别和分离非常相似但有一些小差别的生物分子。例如，你可以有很多相同的蛋白质，但有些可能带有一个非常小的标记-一个翻译后修饰-改变它的电荷。只有一个电子的差异将决定分子是否通过纳米孔，因为这是电荷的函数。所以我们可能会使用这种新的水压现象可以非常精确地过滤生物分子。“