Einfach erklärt
In winzigen Kanälen kann Strom die Wände ein wenig nach außen drücken. Dadurch wird der Weg für geladene Teilchen weiter oder enger, und es fließt mehr oder weniger Strom. Manche Veränderungen bleiben kurz bestehen, auch wenn der Strom schon wieder abgeschaltet ist. Das könnte helfen, neue Speicher und Rechengeräte zu entwickeln.
Ein Gedächtnis, das nicht nur in den Ionen steckt
Stellt man sich einen extrem schmalen Gang vor, durch den Wasser und geladene Teilchen strömen, wird die Idee der Studie anschaulich: Die Wände dieses Gangs sind nicht völlig starr. Unter elektrischer Spannung können sie sich ein wenig nach außen wölben. Eine 2026 in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlichte Studie hat den Zusammenhang zwischen solchen Formveränderungen in zweidimensionalen Nanokanälen und dem Ionenstrom, der durch sie fließt, direkt untersucht. Anders als bei Messungen, die lediglich den Strom an den beiden Enden eines Geräts erfassen, kombinierten die Forschenden elektrische Messungen mit optischen Aufnahmen. So konnten sie gleichzeitig beobachten, wie sich die winzige Kanalstruktur veränderte und wie der Strom darauf reagierte.
Ein Gedächtnis, das nicht nur in den Ionen steckt
Nanofluidische Geräte transportieren Ionen durch äußerst enge Kanäle. In diesen winzigen Dimensionen verhalten sich die Teilchen nicht so, als würden sie sich in einem großen Behälter bewegen: Die nahen Wände und die Wechselwirkungen an den Oberflächen beeinflussen stark, wie leicht die Ionen hindurchkommen. Deshalb muss der Strom beim Umpolen der Spannung nicht gleich bleiben. Auch die Vorgeschichte eines Geräts kann seine Reaktion beeinflussen. Ein solches Nachwirken früherer elektrischer Zustände wird als ionisches Gedächtnis bezeichnet. Es interessiert die Forschung, weil sich damit Geräte entwickeln ließen, die Informationen auf eine Weise verarbeiten, die an bestimmte Eigenschaften neuronaler Netzwerke erinnert.
Ein Gedächtniseffekt verrät jedoch noch nicht, wodurch er entsteht. Als mögliche Erklärungen wurden chemische Reaktionen, Unterschiede in der Benetzung der Oberflächen, besondere Wechselwirkungen zwischen Ionen und Kanalwänden sowie Veränderungen der Kanalform diskutiert. Frühere Arbeiten legten nahe, dass Ionenpaare oder Ketten geladener Moleküle in manchen Geräten eine Rolle spielen könnten. Diese Möglichkeiten unmittelbar mit Vorgängen im Inneren der Geräte zu verknüpfen, war jedoch schwierig. Die neue Studie ergänzt die bisherigen Erkenntnisse durch gleichzeitige Beobachtungen der Struktur und des Stroms. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die mechanische Bewegung der Kanalwände ein wichtiger Teil der Erklärung für das Gedächtnisverhalten der untersuchten Geräte sein könnte.
Ein Kanal zwischen hauchdünnen Schichten
Für ihre Kanäle legte das Team eine dünne Graphenschicht zwischen Schichten aus hexagonalem Bornitrid. Auf diese Weise entstand ein enger Durchgang für die Ionen. Eine eingebrachte Öffnung legte die Kanallänge auf etwa 5 Mikrometer fest. Die Forschenden untersuchten 14 Geräte, denn äußerlich ähnlich aussehende Exemplare können sich darin unterscheiden, wie fest ihre Schichten aneinanderhaften und ob sie bereits Fehlstellen oder Ausbuchtungen aufweisen. Solche Unterschiede können die elektrischen Messwerte beeinflussen.
Die Geräte wurden in ein spezielles Flüssigkeitssystem eingesetzt. Mit einem Reflexionsmikroskop erfasste das Team Veränderungen des Lichts, das von den Schichten zurückgeworfen wurde. Dieses reflektierte Licht verändert sich geringfügig, wenn sich die Schichten verformen oder ihr Abstand zueinander ändert. Daraus lässt sich auf eine Auswölbung der Kanalwand schließen. Gleichzeitig legten Elektroden eine sinusförmige Wechselspannung an und zeichneten den entstehenden Strom auf. Ein Mikroskop mit einer für den Einsatz in Wasser geeigneten Linse nahm fortlaufend Bilder der Struktur auf. Weil die optischen Aufnahmen mit den elektrischen Messungen synchronisiert wurden, ließ sich vergleichen, was im Kanal und im Strom genau zur selben Zeit geschah.
Als optische Messgröße verwendete das Team den sogenannten spannungsinduzierten Kontrast. Dabei wird die Stärke des reflektierten Lichts während der angelegten Spannung mit der Lichtstärke ohne Spannung verglichen. Mithilfe optischer Modellrechnungen schätzten die Forschenden anschließend ab, wie hoch die Auswölbungen waren. Dabei handelt es sich nicht um eine genaue Vermessung jeder einzelnen Erhebung: Weil die Dicke der Schichten nicht exakt bekannt ist, lassen sich die Höhen nur grob abschätzen. Das ist eine wichtige Einschränkung bei der Deutung der Abmessungen. Dennoch reichte das Signal aus, um zu erkennen, dass sich manche Bereiche gleichzeitig mit deutlichen Änderungen der Leitfähigkeit verformten.
Wann wird aus elektrischem Druck eine Auswölbung?
Das Team testete wässrige Kaliumchloridlösungen mit Konzentrationen von 1 Millimolar bis 1 Molar. Zusätzlich untersuchten die Forschenden Lösungen mit einer Konzentration von jeweils 1 Molar Natriumchlorid, Lithiumchlorid und Calciumchlorid. Außerdem prüften sie theoretisch, ob osmotischer Druck und elektrische Kräfte, die mit den Oberflächenladungen zusammenhängen, stark genug sein könnten, um die Haftkräfte zwischen den Schichten zu überwinden und sie auseinanderzubiegen. Allein die Anwesenheit einer Flüssigkeit reicht dafür nicht aus: Es müssen nach außen gerichtete Kräfte wirken, die stärker sind als der Widerstand gegen das Ablösen der Schichten.
Bei niedriger Spannung stiegen Strom und Spannung annähernd proportional zueinander an. Eine deutliche elektrische Verformung war dabei nicht zu erkennen. Einige Geräte leiteten allerdings mehr Strom, als die theoretischen Berechnungen erwarten ließen. Bereits vorhandene Auswölbungen oder Bereiche, in denen die Schichten nicht fest aufeinanderlagen, könnten das erklären: Dort steht den Ionen schon vor einer weiteren spannungsbedingten Veränderung mehr wirksamer Raum zur Verfügung.
Bei einem der untersuchten Geräte bildete sich eine Auswölbung oder eine bereits vorhandene wurde größer, sobald die Spannung etwa 0,2 Volt überstieg. Gleichzeitig wich der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom von der geraden Linie ab. Außerdem zeigte sich eine elektrische Hysterese, deren Verlauf vom Weg durch den Spannungszyklus abhing. Anders gesagt: Beim Erhöhen und anschließenden Absenken der Spannung verhielt sich das Gerät nicht mehr gleich. Die Kanalform kehrte nicht unbedingt auf demselben Weg in ihre Ausgangslage zurück. Zugleich veränderte sich mit der Weite des Durchgangs der Raum, durch den die Ionen strömen konnten.
Zwei Arten von Auswölbungen, zwei unterschiedliche Reaktionen
Bei der Auswertung zeigten sich zwei Muster, die sich darin unterschieden, wie sie auf die Polarität der Spannung reagierten. Bei der ersten Form, die auf beide Spannungsrichtungen reagierte, konnte sich eine Auswölbung sowohl bei positiver als auch bei negativer Spannung vergrößern. Das Modell führt dieses Verhalten auf eine Konzentrationspolarisation zurück: Unter dem Einfluss der Spannung verteilt sich die Menge der Ionen so, dass die mittlere Salzkonzentration im Kanal zunimmt. Dadurch entsteht ein osmotischer Unterschied zwischen der eingeschlossenen Flüssigkeit im Kanal und der Flüssigkeit im Vorratsbehälter. Der daraus resultierende Druck schiebt die Wand nach außen – unabhängig davon, ob die Spannung unter den untersuchten Bedingungen positiv oder negativ ist.
Die zweite Form reagierte hauptsächlich auf eine der beiden Polaritäten. Dieses Verhalten passt zu einer Erklärung, die elektrische Kräfte auf die Ladungen an den Kanaloberflächen heranzieht. Bei einer bestimmten Spannungsrichtung können diese Kräfte die umgebenden Schichten nach außen drücken. Dass es zwei unterschiedliche Muster gibt, bedeutet nicht, dass Geräte nur eines davon zeigen können. Vielmehr deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Oberflächenstruktur, Haftung und Ladungsverteilung bestimmen können, welcher Mechanismus an einer bestimmten Stelle den größeren Einfluss hat.
Die Forschenden werteten 50 Auswölbungen in neun Geräten aus und fanden dabei Unterschiede zwischen den beiden Reaktionsformen. Die meisten Auswölbungen verschwanden wieder, sobald die Spannung auf null zurückging. Manche Verformungen blieben jedoch bei langsameren Spannungszyklen bestehen. Besonders deutlich war dieses Fortbestehen bei Frequenzen zwischen 10 und 30 Millihertz in einem der Geräte. Eine solche bleibende Veränderung liefert eine mögliche physische Erklärung dafür, wie eine elektrische Wirkung noch nach dem Ende des auslösenden Signals anhalten kann: Die Kanalstruktur bewahrt einen Zustand, der von der vorherigen Spannung abhängt.
Eine kleine Formänderung kann den Messwert kräftig verändern
Die Veränderungen der Kanalstruktur waren nicht bloß Einzelheiten, die sich unter dem Mikroskop erkennen ließen. Sie gingen mit erheblichen Änderungen der Leitfähigkeit einher. Bei einem Gerät stieg die Leitfähigkeit um etwa 50 Prozent – und zwar in weniger als einer Sekunde, nachdem sich die Form einer bestimmten Auswölbung verändert hatte. Bei einem anderen Gerät unterschieden sich die Strom-Spannungs-Kurven von einem Durchlauf zum nächsten. Die Forschenden führten dieses Verhalten auf zwei Bereiche zurück, in denen sich Auswölbungen entwickelten. Blieb die Formänderung stabil, fiel auch die Reaktion gleichmäßiger aus. Unregelmäßige Veränderungen führten dagegen zu größeren Unterschieden zwischen den einzelnen Zyklen.
Diese Beobachtungen helfen zu erklären, warum Geräte mit vermeintlich identischen Materialien und demselben Aufbau unterschiedlich funktionieren können. Der Strom hängt möglicherweise nicht allein von der chemischen Zusammensetzung ab, sondern auch davon, wie fest die Schichten aneinanderhaften, welche Ladungen sich an den Oberflächen befinden, welche Form der Kanal hat, ob sich zuvor Auswölbungen gebildet haben und wie schnell die Spannung umgeschaltet wird. Den Modellen zufolge können osmotische und elektrische Druckkräfte eine vergleichsweise schwache Haftung zwischen den Schichten überwinden. Außerdem entstehen unterschiedliche Wege für Auswölbung und Rückbildung. Dadurch verlaufen Höhenänderung und Leitfähigkeit nicht auf identischen Pfaden. Es kommt zur Hysterese: Der Stromwert bei einer bestimmten Spannung kann davon abhängen, ob die Spannung gerade steigt oder fällt.
Was die Ergebnisse zeigen – und was offenbleibt
Die Studie liefert experimentelle Belege dafür, dass mechanische Bewegungen und elektrische Reaktionen in den untersuchten Kanälen miteinander gekoppelt sind. Die Spannung bewegt also nicht nur die Ionen, sondern kann auch den Durchgang verändern, durch den sie fließen. Das ist für die Modellierung nanofluidischer Geräte von praktischer Bedeutung: Es könnte nicht genügen, lediglich die Wechselwirkungen der Ionen zu berechnen, wenn sich die Wände verformen können. Auch die Haftung zwischen den Schichten, die wirkenden Druckkräfte und die zeitliche Veränderung der Kanalgeometrie müssen dann berücksichtigt werden.
Die Beobachtungen belegen allerdings nicht, dass jedes ionische Gedächtnis durch mechanische Auswölbungen entsteht. Die Forschenden weisen darauf hin, dass rein ionische Mechanismen den Brechungsindex um weniger als 1 Prozent verändern könnten. Eine so geringe Veränderung könnte unterhalb der Nachweisgrenze der optischen Methode liegen. In Systemen ohne sichtbare Verformung – oder wenn das verwendete Bildgebungsverfahren sie nicht auflösen kann – bleiben deshalb andere Erklärungen möglich. Die Arbeit zeigt, dass Verformungen in den aufgenommenen Geräten vorhanden waren und deren Verhalten beeinflussten. Sie liefert jedoch keine allgemeingültige Erklärung für alle nanofluidischen Systeme.
Die von Sourav K. V. Ronse und Kollegen verfasste und 2026 in Nature Materials veröffentlichte Studie eröffnet auch neue Möglichkeiten für die technische Gestaltung solcher Geräte. Wenn sich Ort und Wiederholbarkeit der Auswölbungen durch die Haftung der Schichten beeinflussen lassen, könnten gezielt eingebaute Bereiche mit geringerer Haftung die Verformung an bestimmte Stellen lenken. Das ist ein Vorschlag für die Entwicklung künftiger Geräte, kein abschließender Beleg dafür, dass die Technik bereits einsatzbereit ist. Er zeigt aber einen möglichen Weg, Auswölbungen besser wiederholbar zu machen und die Unterschiede zwischen einzelnen Proben zu verringern.
Fazit
Die Versuche zeigen, dass das Gedächtnis mancher Ionenkanäle zum Teil in ihrer Form gespeichert sein könnte. Eine elektrische Spannung kann eine flüssigkeitsgefüllte Auswölbung vergrößern oder neu entstehen lassen. Dadurch verändert sich der Querschnitt des Kanals und damit auch die Bewegung der Ionen. Ein Teil der Veränderung kann bestehen bleiben, nachdem die Spannung wieder auf null gefallen ist. Durch die gleichzeitige optische und elektrische Messung an Geräten mit Kanälen von etwa 5 Mikrometern Länge ließ sich erkennen, wie feine Verformungen mit einer Hysterese des Stroms und sprunghaften Änderungen der Leitfähigkeit zusammenhängen. In einem Fall stieg die Leitfähigkeit in weniger als einer Sekunde um 50 Prozent. Welcher Mechanismus überwiegt, hängt von den Eigenschaften des jeweiligen Geräts ab; außerdem schließt die optische Messung andere rein ionische Erklärungen nicht aus. Dennoch könnten sich durch gezielte Kontrolle von Haftung, Oberflächenladungen, Kanalform und Frequenz künftig stabilere nanofluidische Speicher entwickeln lassen. Die Erkenntnisse könnten auch bei der Entwicklung elektrisch gesteuerter Nanoventile und ionenbasierter Informationsverarbeitung helfen.