Nanofluidos: una neurona iónica artificial, ¿es posible?

En 2004, los físicos Andrei Jim y Konstantin Novoselov inventaron el grafeno. Un trabajo que les valió el Premio Nobel de Física 2010. Andre Geim, por su parte, no se detuvo allí, recientemente desarrolló nanofitas de grafeno, con un grosor de hasta un nanómetro … la herramienta con la que soñaron los investigadores NanofluídicoQue se ocupa del comportamiento de los fluidos en canales que no superen los 100 nm. Los científicos del CNRS y École normale supérieure – PSL decidieron estudiar el comportamiento de una mezcla de agua e iones a estas escalas en miniatura. Para su sorpresa, el efecto de derretir el agua desapareció de sus cálculos, dejando el campo libre de aglomeraciones de iones. Las características estructurales resultantes recuerdan a una célula que normalmente se encuentra en el cerebro: la neurona …

© Jake Bixo.

Ilustración 3D de una gota de agua (H2s).

Cuando el agua no se disuelve …

¿Quién de nosotros nunca ha vertido un poco de sal (cloruro de sodio) en el agua para ver que se disuelva instantáneamente? De hecho, el agua (H2O) normalmente separa los iones de sodio (Na.).+iones cloruro (Cl.)). Pero, ¿qué pasa con las nanocracks? ” Las grietas de Andre Geim consisten en dos capas de grafeno, separadas simplemente por “cuñas” del mismo material. “,” describe Paul Rubin, estudiante de doctorado en el laboratorio de física de la Ecole Normale Superior de Ulm y primer autor del estudio. ¡El espacio libre restante es menos de 1 nanómetro! En un espacio tan pequeño, las dos moléculas de agua no pueden mantenerse en alto, por lo que el agua forma una sola capa de moléculas. Una propiedad que parece prevenir la disolución de los iones existentes. Luego se forman montones de iones, que se vuelven a ensamblar en estructuras imponentes … y, por lo tanto, se ralentizan. De ahí el comportamiento histérico …

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La histéresis consiste en decir que las propiedades de un sistema en particular dependen de su pasado. ” Un poco como un tubo de neón. Cuando se le aplica un gran voltaje, el gas se ioniza y el neón será más fácil de volver a encender cuando los iones ya están presentes. ”, Foto de Paul Rubin. En el caso de los nanofluidos, la estimulación del dispositivo con un campo eléctrico empujará a los iones a agruparse en grupos largos. Una vez que se corta la energía, las grandes estructuras así formadas tardarán en desmontarse. En otras palabras , el sistema “recordará” por un tiempo cierto estímulo inicial en el origen de su formación. Un tipo especial de memoria, cercano al llamado efecto memresistor (para “memoria” y “resistor”) que califica el almacenamiento de información en dispositivos electrónicos. Excepto que el problema aquí no es una cuestión de electrones, sino de iones. Esta es la base El trabajo del cerebro, especialmente las neuronas …

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© Romanova Natalie.

Gráfico 3D de impulsos eléctricos entre neuronas en el cerebro.

“Neuronas artificiales”: inmersas en el cerebro

Las neuronas intercambian información mediante impulsos eléctricos. Estos corren a lo largo de nanoporos, o canales iónicos, que se encuentran en las membranas que recubren las neuronas. Dependiendo de si los poros están abiertos o cerrados, puede atravesar un flujo de iones y crear una corriente eléctrica que se encarga de emitir un voltaje de acción que conduce al propio contacto. ” Existe una similitud inquietante entre las ecuaciones que describen los mecanismos de las neuronas y las que caracterizan el proceso en funcionamiento en el nanografeno. Paul Rubin agrega. De hecho, los grupos alargados pueden representar el influjo de iones, cuando la formación y destrucción de estas estructuras equivale a la apertura y cierre de canales iónicos, respectivamente. Además, los modelos muestran la aparición de picos de voltaje, que son bastante similares a los generados por los potenciales de acción de las neuronas. ¿Deberíamos concluir que se trata de una actividad neuronal provocada por una “neurona artificial”?

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La investigación continúa ahora a través del experimento. Para hacer el trabajo, Paul Rubin y sus colegas pueden contar con la ayuda de científicos de la Universidad de Manchester. Su objetivo es pasar de la prueba de concepto a la prueba empírica. “¿Puedo encontrar algún tipo de recuerdo? Y si es así, ¿qué haces a continuación?”, Pregunta Paul Rubin. Este trabajo futuro podría ayudar a arrojar más luz sobre nuestra comprensión del complejo mecanismo cerebral. Prácticamente hablando, ¿volvemos a la computadora iónica? La idea sigue siendo atractiva, aunque sea para ahorrar energía. Una computadora electrónica requiere aproximadamente 500 vatios para funcionar. En contraste, el cerebro humano es súper eficiente, ¡y no consume más que una bombilla!

Publicado originalmente el 26/09/2021

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