18537125967
2024-07-10
研究背景
精密分離技術(shù)在現(xiàn)代科技中扮演著日益關(guān)鍵的角色，不僅增強了有限水資源的利用效率，還促進(jìn)了關(guān)鍵材料的回收及高價值化學(xué)品與藥品的生產(chǎn)。隨著這些技術(shù)的持續(xù)精進(jìn)，其效能正逐漸逼近現(xiàn)有材料平臺所固有的物理極限。例如，主導(dǎo)傳統(tǒng)分離的聚合物膜的性能受到其孔幾何形狀、多分散性和曲折性的限制，表明分離精度的進(jìn)一步提高將需要轉(zhuǎn)換到提供受控的均勻孔徑和結(jié)構(gòu)的材料平臺。合成通道與納米流體通道脫穎而出，成為聚合物納米孔的強勁對手。它們不僅模擬了生物膜通道的空間約束效應(yīng)，還展現(xiàn)出精細(xì)的選擇性傳輸能力。特別是碳納米管(CNT)孔，憑借其光滑的疏水內(nèi)壁，能夠?qū)崿F(xiàn)異?？焖俚乃蜌怏w傳輸以及強的離子選擇性。離子在穿越狹窄CNT孔時需經(jīng)歷部分脫水過程，削弱了水合殼的屏蔽作用，從而增強了與孔壁的相互作用，尤其是窄孔與小陽離子間的極化效應(yīng)，賦予了這些離子穿越極窄CNT孔道的非凡穩(wěn)定性。這一系列發(fā)現(xiàn)揭示了通道壁電子特性與其傳輸效能之間的潛在關(guān)聯(lián)。
單壁CNT以其獨特的“手性”特性，即根據(jù)種類形成幾乎尺寸相同的金屬或半導(dǎo)體通道，為驗證上述假設(shè)提供了理想的材料平臺。然而，關(guān)于CNT電子性質(zhì)對水和離子傳輸影響的研究報道很少，且觀點不一。部分分子動力學(xué)(MD)模擬顯示金屬納米管內(nèi)部更快的水?dāng)U散系數(shù)，并預(yù)測手性對離子傳輸?shù)挠绊戄^小。另一派MD模擬則顯示金屬CNT中的離子傳輸高于類似直徑的半導(dǎo)體CNT，并預(yù)測了半導(dǎo)體CNT中更快的水傳輸。遺憾的是，針對CNT手性如何具體影響傳輸速率的實驗研究甚為罕見，且實驗樣本的異質(zhì)性進(jìn)一步加劇了定量分析的難度。盡管有研究表明金屬納米管中離子電導(dǎo)率顯著，但具體機制及所用CNT手性的精確信息尚未明晰。相反，針對1-2nm直徑范圍內(nèi)單個CNT中離子傳輸?shù)难芯课茨馨l(fā)現(xiàn)手性和傳輸效率之間的任何顯著相關(guān)性。
研究成果
近日，美國加州大學(xué)默塞德分校Aleksandr Noy&麻省理工學(xué)院Daniel Blankschtein&德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Narayana Aluru合作報道了，通過亞1nm金屬和半導(dǎo)電碳納米管孔蛋白內(nèi)孔中傳輸特性的測量。研究者發(fā)現(xiàn)，與半導(dǎo)體納米管相比，金屬納米管中的水和質(zhì)子傳輸增強，而離子傳輸在很大程度上對納米管帶隙值不敏感。使用極化力場的分子模擬，強調(diào)了碳納米管的各向異性極化率張量對離子-納米管相互作用和水摩擦系數(shù)的貢獻(xiàn)。還使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子動力學(xué)模擬，描述了金屬納米管中質(zhì)子傳輸增強的內(nèi)在機制。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了納米流體通道的電子性質(zhì)在極端納米尺度限制下調(diào)節(jié)傳輸?shù)膹?fù)雜作用。相關(guān)研究工作以“Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins”為題發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Materials》上。
研究內(nèi)容
研究者采用水兩相分離法制備了純化的單分散長CNT原料，并進(jìn)一步制造了物種純的CNTPs。具體而言，選擇使用三種純(~95%)CNT批次：(6,5)納米管、(7,4)納米管、(7,5)和(8,4)納米管混合物(圖1a、b)。(6,5)和(7,4)CNT具有幾乎相同的標(biāo)稱碳與碳直徑，分別為0.75和0.76nm(圖1a);但(6，5)CNT是半導(dǎo)體型，而(7，4)CNT是金屬型。這使研究者能夠評估不同壁電子性質(zhì)對CNTP傳輸特性的影響，同時在通道中保持幾乎相同的空間限制。(7,5)和(8,4)混合物CNTs是半導(dǎo)電型，但它們的標(biāo)稱直徑為0.81nm，比(6,5)和(7,4)CNT的標(biāo)稱直徑大6.5%。這允許研究者能夠進(jìn)一步評估空間限制水平的微小變化對水和質(zhì)子傳輸?shù)挠绊憽?/p>
圖1. 物種純CNTPs中的離子傳輸
圖2. 手性純CNTs中的水傳輸
圖3. 手性純CNTPs中的質(zhì)子傳輸
圖4. 單個手性純CNTPs中的質(zhì)子傳輸
結(jié)論與展望
這項研究揭示了碳納米管(CNT)電子性質(zhì)對CNT納米流體通道傳輸效率的復(fù)雜貢獻(xiàn)。其中，離子、水分子和質(zhì)子與通道壁的復(fù)雜極化相互作用顯著影響測量的傳輸性質(zhì)。尤其重要的是，與直徑相似的半導(dǎo)體類似物相比，金屬CNT中的水和質(zhì)子傳輸持續(xù)增強，而離子傳輸效率在很大程度上不受影響。令人驚訝的是，CNT直徑的微小變化并未對水傳輸效率產(chǎn)生顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計具有優(yōu)化傳輸效率的納米流體通道和新型膜平臺開辟了新的機會。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01925-w
