植物がCO2の流入を制御する方法を模倣する: ナノチャネルにおけるイオン流整流のCO2による活性化

Mimicking how plants control CO2 influx: CO2 activation of ion current rectification in nanochannels

2015年9月11日 NPG Asia Materials 7, e9 (2015) doi:10.1038/am.2015.98

ナノチャネル: 葉の気孔のCO2調節機構を模倣する人工系

中国の研究者たちが、葉の気孔から着想を得て、CO2の取り込みを調節する人工ナノチャネルを実証している。植物は、CO2分圧が高くなると、葉の気孔を閉じることによってCO2の取り込みを制御する。今回、北京航空航天大学のJ Zhaiたちは、この効果を模倣する人工ナノ細孔系を実現した。pH変化を介して間接的にCO2分圧に応答する植物とは異なり、今回開発された系は、ナノ細孔の内側表面でCO2がアミジン含有分子と化学反応することによって、CO2濃度に直接応答する。この反応は可逆的であり、ナノ細孔壁面に過剰な表面電荷を生成するため、イオンが電荷に応じて一方向に優先的に通過する。ポアソン-ネルンスト-プランクモデルに基づくシミュレーションの結果は、この系の実験結果とよく一致していた。

Yanglei Xu, Minghui Zhang, Tong Tian, Ying Shang, Zheyi Meng, Jiaqiao Jiang, Jin Zhai & Yao Wang

Nanochannels: Artificial system mimics CO2 regulation of leaf stomata
Inspired by stomatal pores in leaves, researchers in China have demonstrated artificial nanochannels that regulate the intake of CO2. Plants control CO2 intake by closing stomatal pores in leaves when the partial pressure of CO2 becomes high. Now, Jin Zhai and colleagues at Beihang University in Beijing have realized an artificial nanopore system that mimics this effect. Unlike plants, which respond indirectly to CO2 partial pressures via pH changes, the developed system responds directly to CO2 levels through a chemical reaction with amidine-containing molecules on the inner surfaces of the nanopores. This reaction is reversible and generates an excess surface charge on the nanopore walls so that ions pass preferentially in one direction depending on their charge. Simulations based on the Poisson-Nernst-Planck model agreed well with experimental results for this system.


NPG Asia Materials ISSN 1884-4049(Print) ISSN 1884-4057(Online)