Điểm đột phá của nghiên cứu là tạo ra hệ thống màng nhân tạo có thể linh hoạt chuyển đổi giữa 2 trạng thái: tăng cường hoặc ức chế dòng ion, chỉ bằng cách thay đổi thành phần ion trong môi trường. Điều này cho phép các kỹ sư thiết kế màng lọc “có tư duy” - hoạt động theo yêu cầu, giống như cách tế bào sống lựa chọn phân tử ra vào.
Hệ thống mới được xây dựng dựa trên cơ chế hoạt động của các kênh ion trong màng tế bào sinh học. Bằng cách sử dụng màng nano 2D có kích thước chỉ vài angstrom (một phần mười tỷ mét), nhóm nghiên cứu đã kiểm soát được độ linh hoạt trong việc vận chuyển ion kali - loại ion thiết yếu trong nhiều ứng dụng lọc và tách khoáng.
Trong thí nghiệm, khi chỉ thêm một lượng rất nhỏ các ion kim loại như chì, coban hoặc bari, hiệu quả vận chuyển của ion kali qua màng đã thay đổi rõ rệt. Cụ thể, chỉ cần tăng 1% nồng độ ion chì, tốc độ di chuyển của kali đã tăng gấp đôi - không phải vì kali được “đẩy nhanh hơn”, mà do môi trường thay đổi khiến các ion cạnh tranh khác di chuyển chậm lại, từ đó tạo điều kiện cho kali kết hợp với ion chloride, hình thành phân tử trung hòa và dễ dàng xuyên qua màng hơn.
GS George Schatz - Đại học Northwestern giải thích, khi ion kali và chloride tạo thành cặp trung hòa, chúng không bị lực điện hút hoặc đẩy trong màng nữa, nhờ đó “trôi” qua hệ thống dễ dàng hơn nhiều so với khi tồn tại riêng lẻ. Điều thú vị là quá trình này hoàn toàn có thể đảo ngược. Khi nhóm nghiên cứu thêm vào các ion như coban hoặc bari, chúng cạnh tranh với chì và ngăn cản quá trình tạo cặp kali-chloride, khiến dòng ion kali chậm lại. Bằng cách thay đổi kết hợp của các loại ion, nhóm nghiên cứu đã có thể chuyển từ hiệu ứng tăng cường sang ức chế.
Để lý giải hiện tượng ở cấp độ nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình mô phỏng động học phân tử phi cân bằng, có tích hợp tương tác giữa ion và lưỡng cực cảm ứng. Mô hình cho phép mô phỏng chính xác cách các ion di chuyển qua kênh nano và phản ánh gần như trùng khớp với kết quả thực nghiệm. Khi dòng kali bị kìm hãm hoặc tăng tốc theo yêu cầu, hệ thống hoạt động như một “công tắc” chuyển giữa trạng thái đóng - mở. Cơ chế điều khiển tinh vi này mô phỏng khả năng chọn lọc ấn tượng của tế bào sống, nhưng được tích hợp vào màng lọc nhân tạo, giúp quá trình xử lý trở nên linh hoạt và chính xác hơn nhiều so với các màng truyền thống.
Kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại ở phòng thí nghiệm. Trong tương lai, công nghệ màng lọc “biết suy nghĩ” này có thể thích ứng theo thời gian thực với nguồn nước bị ô nhiễm, loại bỏ chọn lọc các ion độc hại như chì hoặc asen, mà vẫn giữ lại khoáng chất cần thiết. Công nghệ này cũng có thể được ứng dụng để thu hồi kim loại hiếm như lithium từ nước biển mà không gây lãng phí, hoặc mở ra các thiết bị điện tử mới sử dụng dòng ion thay vì điện tử - một xu hướng đang được quan tâm trong lĩnh vực máy tính chất lỏng.
TXB