「石墨烯 過濾」曼徹斯特大學石墨烯新過濾技術建立原子級毛細管

英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所的研究人員首次成功製造了一個原子尺寸的人造通道。新的毛細管人造通道非常像天然蛋白質通道，如水通道蛋白，小到足以阻止Na +和Cl-等最小離子的流動，但允許水自由流動。除了提高我們對原子級分子運輸的基本理解，特別是在生物系統中，這些結構在脫鹽和過濾技術中也是理想的。

團隊負責人諾獎得主安吉爾·蓋姆爵士解釋說：「顯然，不可能使毛細管人造通道的孔徑小於一個原子。我們的壯舉即使事後看來也幾乎不可能，幾年前更很難想像有這麼小的毛細管人造通道。」

天然存在的蛋白質通道，例如水孔蛋白，允許水快速滲透它們，但由於空間（大小）排除和靜電排斥等機制，會阻止大於約7 A的水合離子。研究人員一直試圖製造出與天然毛細管一樣的人造毛細管，但儘管在製造納米級毛孔和納米管方面取得了很大進展，但迄今為止所有此類結構仍然比生物通道大得多。

蓋姆爵士及其同事現在已經開發了孔徑僅為3.4 A的通道。這大約是最小水合離子的一半，例如K +和Cl-，其直徑為6.6 A。這些通道的行為與蛋白質通道一樣，因為它們小到足夠以阻擋這些離子，但是又大到足夠以允許水分子（直徑約2.8 A）可自由流過。

重要的是，這些結構有助於開發用於海水淡化和相關技術的具有成本效益的高通量過濾器，這是該領域研究人員的聖杯。

研究人員在科學上發表了他們的研究結果，他們使用範德瓦爾斯裝配技術製造了他們的結構，這種技術也被稱為「原子尺度樂高」，這是由於對石墨烯的研究而發明的。

研究論文的共同作者Radha Boya博士解釋道：「我們從塊狀石墨中切割出厚度僅為50和200納米的原子級扁平納米晶體，然後將單層石墨烯條帶放置在這些納米晶體的表面上。當相似的原子級扁平晶體隨後放在頂部時，這些條帶用作兩個晶體之間的間隔物。得到的三層組件可以看作是一對邊緣位錯，其間具有平坦的空隙。這個空間只能容納一層原子水。」

她說，使用石墨烯單層作為間隔物是首創，這就是使新通道與以前任何結構不同的原因。

曼徹斯特科學家設計的2D毛細管寬130納米，長度為幾微米。他們將它們組裝在氮化矽膜的頂部，將兩個隔離的容器分開，以確保通道是水和離子可以流過的唯一通道。

到目前為止，研究人員只能測量通過毛細管流動的水，這些毛細血管具有更厚的間隔物（約6.7 A高）。雖然他們的一些分子動力學模擬表明，由於範德華爾在相對牆壁之間的吸引力，較小的2D腔體應該會倒塌，但其他計算指出，狹縫中的水分子實際上可以起到支撐作用，甚至可以防止一個原子高的狹縫(只有3.4埃高)掉下來。

Radha說：「我們使用稱為重力測量的技術測量了通過我們的通道的水滲透。在這裡，我們允許小型密封容器中的水僅通過毛細管蒸發，然後我們精確測量（以微克精度計）容器在幾個小時內損失的重量。」

為此，研究人員表示，他們並行建立了大量通道（超過一百個），以提高測量的靈敏度。他們還使用較厚的頂部晶體來防止下垂，並修剪毛細管的頂部開口（使用等離子蝕刻）以消除此處存在的薄邊緣的任何潛在阻塞。

為了測量離子流，他們通過施加電場迫使離子穿過毛細管，然後測量產生的電流。

Radha說：「如果我們的毛細管孔徑大於兩個原子，我們發現小離子可以自由移動。相比之下，沒有離子可以通過我們最終小的單原子通道。「

「例外的是質子，已知它作為真正的亞原子粒子通過水，而不是在直徑為幾埃的相對較大的水合殼中裝飾的離子。因此，我們的通道阻擋了所有水合離子，但允許質子通過。「

由於這些毛細管的行為方式與蛋白質通道相同，因此它們對於更好地了解水和離子在分子尺度上的表現非常重要， 就像在埃級生物過濾器中一樣。蓋姆爵士解釋道：「我們的工作（現在和以前的工作）表明，原子限制的水與大量水的性質有很大不同。例如，它變得強烈分層，具有不同的結構，並表現出截然不同的介電特性。」

參考來源：曼徹斯特大學 （由智識諮詢獨家編譯 末經允許不得轉載）