西南交通大学：发现埃级别狭缝中离子的传输机理

【成果简介】

10月27日，Science杂志发表了西南交通大学博士生杨倩参与的论文Size effect in ion transport through angstrom-scale slits。该研究由西南交通大学教授荣誉教授、曼彻斯特大学教授、诺贝尔奖物理学奖得主安德烈·海姆主持，并做论文通信作者。这是西南交大学生首次在Science上合作发表学术论文。论文研究发现，一种精确构筑的埃级别石墨烯二维通道，可以让多种盐离子采取挤压或平滑水合层方式穿过其中，实现对离子的差异化输运。相当于头发丝直径100万分之一的埃级别传输通道存在于大自然各类结构和生命体组织中，对于特定离子的选择性传输乃至维持生物的代谢功能发挥着重要作用。此前，科学家无法清晰理解和准确描述离子在微小通道中的传输机理。    　

【图文导读】

图1 尺寸对离子电导率的影响 

（A）具有石墨壁和1L MoS₂间隔物（蓝色圆圈）的装置的各种1M溶液的电导率。

（B）埃级别狭缝的电阻1/G作为L（石墨壁，2L石墨烯间隔物）的函数。

图2 埃级别范围内的离子迁移限制

（A）在浓度梯度为10的装置下（具有石墨壁和1L MoS₂间隔物），各种氯化物溶液的I-V特性的实例。

（B）迁移率μ⁺/μ^-作为使用2L石墨烯间隔物，由石墨，hBN和MoS₂（颜色编码）制成的狭缝的阳离子D_H值的函数。

（C）圈闭下的离子迁移作为D_H的函数（圈）。

【研究内容】

来自英国、中国的科研团队通过调控分子间范德华作用力，组装得到具有原子级别光滑表面的石墨烯通道，仅两层石墨烯厚度。不同于准一维纳米管和生物通道，这种二维纳米通道化学稳定性良好，其高度洁净表面使得通道表面电荷密度较此前文献报道值低三至四个数量级。研究还发现，对于水合直径分布在6.6至12.5之间的常见金属离子，虽然水合离子直径依然大于通道尺寸，但该通道却允许这些离子以不同的速率通过。研究显示，水合离子在此类二维原子级受限空间传输时，表现出柔软球体的特性，可以通过挤压或平滑水合层的方式穿过该通道。他们对不同阳离子氯化盐的漂移—扩散研究，发现尺寸相当的阴阳离子却在通道中表现出不对称的迁移速率。杨倩主要承担埃级别尺寸通道的设计调控和器件组装等工作，并参与离子传输机理讨论等相关研究工作。周祚万表示，这一成果不仅建立起了精确调控埃级别离子通道的方法，而且揭示了离子在受限空间中的传输机理，为纳米流体学、受限空间离子输运以及分子分离技术等提供了重要的科学基础。

原文链接：http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/201711614183283645063.shtm

文献链接：Size effect in ion transport through angstrom-scale slits (Science, 2017, DOI:10.1126/science.aan5275)

本文由材料人编辑部石小梅编辑，点我加入材料人编辑部。

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