Nature子刊：石墨烯納米流體通道中的超快水輸運

【引言】

研究人員已經發現了“納米導水管”（比如碳納米管、石墨烯納米通道等）中的超快水輸運，其薄膜可以應用于水脫鹽、納米過濾和能量收集等多個方面，由此引發了廣泛的研究興趣。而這些納米導水管進一步的發展和應用依賴于如何在單個導水管層面上，精確測量和理解水流量增大以及表面滑移與受限、彎曲和表面性能等之間的關系。雖然關于碳納米管（CNTs）的水輸運以及滑移特征（由直徑決定）已經取得了較大的研究進展，但是單個石墨烯納米通道的相關研究仍然很少。

【成果簡介】

近日，波士頓大學的Chuanhua Duan教授（通訊作者）等人利用毛細管流動和新穎的混合納米通道設計，實現了對單個石墨烯納米通道水流阻力和滑移的精確測量。他們還利用分子動力學模擬（MD）證實了實驗結果，并表明滑移長度的寬泛分布源自于石墨烯表面電荷和石墨烯及其硅襯底之間的相互作用。該研究成果以“Fast water transport in grapheme nanofluidic channels”為題發表在Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖1 混合納米通道的設計

（a, b）混合納米通道設計示意圖，石墨烯納米通道與硅納米通道連接在一起，具有相同的高度：（a）水從石墨烯一側流入納米通道，并基于彎液面的運動計算了毛細管流動系數A。（b）水從硅一側流入納米通道。

（c, d）陽極鍵合后制備的混合納米通道儀器的顯微鏡圖片：（c）30個納米通道（距離100μm），橋連兩個微米通道。（d）圖c的放大圖。

（e）陽極鍵合前，混合納米通道的AFM表征。硅和石墨烯納米通道的高度都是49nm；硅與石墨烯納米通道的粗糙度分別是0.47nm/0.98nm。

圖2 石墨烯-硅混合納米通道中的毛細管填充測量

每個混合納米通道的毛細管填充測試都用兩種不同的色譜圖進行展示，并且水分別從石墨烯納米通道一側和硅納米通道一側流入，進行了兩次實驗。

（a, b）105-nm的混合納米通道的毛細管填充測量：（a）水從石墨烯一側流入，彎液面位置與時間的關系曲線X₁(t)，呈現拋物線趨勢（藍色虛線）。底部是對應的色譜圖。（b）水從硅一側流入，彎液面位置與時間的關系曲線；其中，紅色虛線對應前期在硅納米通道中的彎液面運動；黑色虛線對應進入石墨烯納米通道后的彎液面運動X₂(t)，偏離了紅色虛線。

（c, d）25-nm的混合納米通道的毛細管填充測量：（c）水從石墨烯一側流入，彎液面位置與時間的關系曲線。（d）水從硅一側流入，彎液面位置與時間的關系曲線。

圖3 質量流動阻力之比與混合納米通道高度之間的關系

混合納米通道高度在24-124nm范圍內時，石墨烯和硅納米通道的質量流動阻力之比β。

（a）假設石墨烯表面的滑移長度恒定（10nm），根據方程式3計算得到的β，如灰色柱狀圖所示（頂部參數是指相應的納米通道高度）。

（b）歸一化的毛細管壓力與β之間的關系。每個符號代表納米通道的高度在一定范圍內，比如藍色方框標記的“30nm”表示納米通道高度在34-37nm。

（c）根據方程式5計算得到的β與石墨烯表面覆蓋率之間的關系。

（d）β>1時，單個混合納米通道的β₀。

圖4混合納米通道中石墨烯表面的滑移長度

（a）不同石墨烯覆蓋率時的滑移長度L_Slip,G，頂部參數是相應的納米通道高度。右側柱狀圖表示滑移長度遵循對數正態分布，并且統計中值為16nm。該分析結果可能高估了實際滑移長度，因此稱之為“上限”。

（b）不考慮石墨烯覆蓋率/質量時的滑移長度。右側柱狀圖表示滑移長度遵循對數正太分布，并且統計中值為7nm。該分析結果低估了實際滑移長度，因此被稱之為“下限”。

圖5石墨烯納米通道中滑移的分子動力學模擬

（a）石墨烯和硅之間受限水的動力學模型。

（b）MD模擬計算得到的流動阻力比例β。

（c）MD模擬計算得到的滑移長度L_Slip,G。

【小結】

本文中，研究人員利用新型的方法制備了石墨烯納米通道，具有可控的幾何形狀；并且設計了混合納米通道，基于毛細管填充測量，實現了單個石墨烯納米通道中水輸運以及石墨烯滑移長度的精確測試。該研究有助于提升對碳納米流體中水輸運性能的理解，并且還表明石墨烯表面電荷和襯底效應對于石墨烯的滑移長度有重要影響。研究人員希望這種方法可以應用于石墨基及其他材料的水輸運，包括CNTs、石墨烯納米孔以及單一生物通道（比如水孔蛋白）等。

文獻鏈接：Fast water transport in grapheme nanofluidic channels（Nature Nanotechnology, 2017, DOI: 10.1038/s41565-017-0031-9）

本文由材料人編輯部納米學術組maggie【曹艷琴】供稿，材料牛整理。

材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！