中國粉體網(wǎng)訊  科學家們已成功利用二維材料組裝成了具有最小人造孔的海水脫鹽裝置，允許直徑大于其縫隙本身的離子通過，打破了傳統(tǒng)觀念，為制造高通量水脫鹽膜鋪墊了道路。

曼徹斯特大學國家石墨烯研究所（NGI）的研究人員成功地在一個尺寸僅為幾埃（0.1nm）的新型膜片上制造了小尺寸的狹縫。這使得能夠研究各種離子究竟如何通過這些微小的孔。

這些狹縫由石墨烯、六方氮化硼（hBN）和二硫化鉬（MoS2）制成，并且令人驚奇的是，它允許直徑大于其自身尺寸的離子發(fā)生滲透。這種尺寸排阻研究有利于更好地了解類似規(guī)模的生物過濾器如水通道蛋白的工作機理，從而有助于開發(fā)用于海水脫鹽和相關技術的高通量過濾器。

對于對流體及其過濾行為感興趣的科學家來說，可控地制造尺寸接近小離子和單個水分子的毛細管是一個終極但看似遙遠的目標。

研究人員一直在試圖模擬自然發(fā)生的離子運輸系統(tǒng)，但事實證明這是不容易的。使用標準技術和常規(guī)材料制造的通道不幸受到材料表面固有粗糙度的限制，其尺寸通常比小離子的水合直徑大至少十倍。

今年早些時候，NGI開發(fā)的石墨烯氧化物衍生膜受到相當大的關注，是新型過濾技術的潛力選手。這項利用新工具2D材料的研究展示了從鹽水中提供清潔飲用水的現(xiàn)實世界前景。

為了更好地了解離子運輸背后的基本機制，曼徹斯特大學的Andre Geim爵士領導的一個團隊制作了原子尺寸的平坦狹縫，尺寸僅為幾埃。這些通道是化學惰性的，平均壁厚為埃刻度。

研究人員在兩塊100納米厚的石墨晶體板上制造了狹縫裝置，這些石墨板是通過刨削大塊石墨晶體獲得的。然后在將另一塊板放在第一塊板上之前，在石墨晶體板的每個邊緣放置雙層石墨烯和單層MoS2的二維原子晶體的矩形片。這樣就得到了墊片厚度的間隙。

“就像拿一本書，在每個邊緣放置兩個火柴，然后再放上另一本書，”Geim解釋說，“這造成書籍表面之間的間隙，間隙的高度等于火柴的厚度。在我們的例子中，這些書是原子平坦的石墨晶體，火柴是石墨烯或MoS2單層。”

這種組裝靠范德華力結合在一起，狹縫大小與水通道蛋白的直徑大致相同，這對活生物體至關重要。狹縫是可能的最小尺寸，因為具有較薄間隔物的狹縫是不穩(wěn)定的，并且可能由于相對壁之間的吸引而塌陷。

在將離子浸入離子溶液中時，如果在其上施加電壓，則離子會流過狹縫，并且該離子流將構成電流。該團隊通過狹縫測量離子電導率，發(fā)現(xiàn)離子可以在施加的電場下按預期的方式移動以通過狹縫。

博士后研究員Gopi Kalon博士解釋說：“當我們仔細觀察時，我們發(fā)現(xiàn)較大的離子比較小的離子移動得慢得多，就像氯化鉀。”

第一作者Ali Esfandiar博士補充說：“傳統(tǒng)的觀點認為直徑大于狹縫尺寸的離子不能滲透，但是我們的結果表明這種解釋太簡單了。事實上，離子表現(xiàn)得像是軟網(wǎng)球，而不是硬的臺球，因此大離子仍然可以通過——通過扭曲他們的水合層或者將其完全脫落。

這項發(fā)表在期刊Science上的新研究，表明這些新觀察到的機制對使用尺寸排阻進行脫鹽起到了關鍵作用，向制造高通量水脫鹽膜邁出了關鍵一步。