Sci. Adv.：自組裝離子液晶納米通道中束縛水的分子研究

木文韜 2年前 (2021-08-24) 1964瀏覽

【引言】

離子液晶（ILC）是由兩個親水離子基團和疏水烷基鏈組成的自組裝納米結構。它們的納米相提供了與它們自己的分子團有關的不同特性。離子部分的親水域作為一個納米通道來傳輸電荷和分子，離子納米通道的結構模式可以被設計成一維（1D）柱狀、二維涂抹狀和三維雙連續相的各種幾何形狀。疏水部分的液晶（LC）組裝可以在沒有納米通道路徑的情況下阻止分子的滲透。納米通道組織和相互連接的實驗技術被廣泛研究以控制分子行為。疏水域可以通過使用可聚合基團的光化學反應來固定。離子納米通道使該材料能夠輸送水和帶電分子，如堿和堿土金屬、氟化物和SO4^2-。此外，葡萄糖、蔗糖和棉子糖的中性分子也可以通過納米通道滲透。在離子納米通道中，帶電分子的滲透速率與任何離子和水合半徑無關。離子物質的選擇性滲透是反滲透膜等實際應用的特性。然而，對水和離子傳輸特性的分子見解仍然知之甚少。分子動力學（MD）方法是研究凝聚態納米環境的有力工具。對封閉在碳納米管（CNT）和Nafion納米通道中的水分子已經通過計算方法得到了充分的研究。束縛水分子在碳納米管和純水內部相互作用和擴散。同時，從聚電解質的角度看，在納米封閉的離子環境中，反離子凝聚使水和離子的傳輸現象更加復雜。

【成果簡介】

近日，在日本兵庫大學、京都大學Hitoshi Washizu和Yoshiki Ishii、東京大學Takashi Kato團隊等人帶領下，通過采用密度泛函理論和分子動力學相結合的自洽模型和大規模分子動力學計算，報告了水分子在納米通道中的具體行為。模擬結果清楚地提供了一維（1D）和三維（3D）相互連接的自組裝柱狀和雙連續結構納米通道，通過X射線衍射測量觀察到的精確中尺度。然后，水分子隨著氫鍵網絡的形成被限制在納米通道內。自由能和各向異性擴散系數的定量分析表明，1D納米疇的中尺度幾何結構通過離子納米通道內的溶解和擴散機制，有利于水的傳輸性質。該成果以題為“Molecular insights on confined water in the nanochannels of self-assembled ionic liquid crystal”發表在了Sci. Adv.上。