西南交通大學：發現埃級別狹縫中離子的傳輸機理

【成果簡介】

10月27日，Science雜志發表了西南交通大學博士生楊倩參與的論文Size effect in ion transport through angstrom-scale slits。該研究由西南交通大學教授榮譽教授、曼徹斯特大學教授、諾貝爾獎物理學獎得主安德烈·海姆主持，并做論文通信作者。這是西南交大學生首次在Science上合作發表學術論文。論文研究發現，一種精確構筑的埃級別石墨烯二維通道，可以讓多種鹽離子采取擠壓或平滑水合層方式穿過其中，實現對離子的差異化輸運。相當于頭發絲直徑100萬分之一的埃級別傳輸通道存在于大自然各類結構和生命體組織中，對于特定離子的選擇性傳輸乃至維持生物的代謝功能發揮著重要作用。此前，科學家無法清晰理解和準確描述離子在微小通道中的傳輸機理。 ???　

【圖文導讀】

圖1 尺寸對離子電導率的影響?

（A）具有石墨壁和1L MoS₂間隔物（藍色圓圈）的裝置的各種1M溶液的電導率。

（B）埃級別狹縫的電阻1/G作為L（石墨壁，2L石墨烯間隔物）的函數。

圖2 埃級別范圍內的離子遷移限制

（A）在濃度梯度為10的裝置下（具有石墨壁和1L MoS₂間隔物），各種氯化物溶液的I-V特性的實例。

（B）遷移率μ⁺/μ^-作為使用2L石墨烯間隔物，由石墨，hBN和MoS₂（顏色編碼）制成的狹縫的陽離子D_H值的函數。

（C）圈閉下的離子遷移作為D_H的函數（圈）。

【研究內容】

來自英國、中國的科研團隊通過調控分子間范德華作用力，組裝得到具有原子級別光滑表面的石墨烯通道，僅兩層石墨烯厚度。不同于準一維納米管和生物通道，這種二維納米通道化學穩定性良好，其高度潔凈表面使得通道表面電荷密度較此前文獻報道值低三至四個數量級。研究還發現，對于水合直徑分布在6.6至12.5之間的常見金屬離子，雖然水合離子直徑依然大于通道尺寸，但該通道卻允許這些離子以不同的速率通過。研究顯示，水合離子在此類二維原子級受限空間傳輸時，表現出柔軟球體的特性，可以通過擠壓或平滑水合層的方式穿過該通道。他們對不同陽離子氯化鹽的漂移—擴散研究，發現尺寸相當的陰陽離子卻在通道中表現出不對稱的遷移速率。楊倩主要承擔埃級別尺寸通道的設計調控和器件組裝等工作，并參與離子傳輸機理討論等相關研究工作。周祚萬表示，這一成果不僅建立起了精確調控埃級別離子通道的方法，而且揭示了離子在受限空間中的傳輸機理，為納米流體學、受限空間離子輸運以及分子分離技術等提供了重要的科學基礎。

原文鏈接：http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/201711614183283645063.shtm

文獻鏈接：Size effect in ion transport through angstrom-scale slits (Science, 2017, DOI:10.1126/science.aan5275)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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