二维纳米材料（如石墨烯、氮化硼、MXene、MoS2等）因其独特的物理化学性质，在膜分离、生物传感、纳米微流控等领域展现广泛应用前景。然而，现有研究多聚焦于各类分子在各向同性材料（石墨烯、氮化硼等）表面的迁移过程。分子在这类材料平面各个方向上运动时，受到的作用力是等价的。
事实上，一些二维纳米材料在平面上各个方向的原子连接形式并不相同。这意味着分子在这些纳米材料表面迁移时，相互作用细节与迁移方向密切相关。石墨相氮化碳（g-C3N4）是一种典型的各向异性二维材料，g-C3N4这种各向异性如何影响水分子运输行为，此前尚不明确。
近日，福州大学李金宇教授团队在国际权威物理化学期刊Journal of Chemical Physics发表题为《Effect of graphitic carbon nitride anisotropy on water transport performance: Insights from molecular dynamics simulations》的研究论文。
研究团队通过全原子分子动力学模拟，构建了三种不同空间取向（T1、T2、T3）的g-C3N4纳米通道，系统研究了水分子在自发铺展（self-spreading）和压力驱动（pressure-driven）下的运输行为（见图1）。该研究通过分子动力学模拟，首次系统揭示了石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米材料的各向异性对水分子在纳米通道中运输行为的关键影响。研究发现，调整纳米通道方向可使水流量提升高达17.9%，为高性能纳米流体器件的设计提供了新思路。
图1 本文研究内容
研究发现纳米材料的各向异性主导水分子铺展行为。在无外力作用下，水分子在T1和T3纳米通道中呈现“无序”扩散模式，前沿水分子可快速抵达通道出口；而在T2通道中，水分子则沿通道方向同步迁移（见图1）。从时间尺度看，水分子在T3通道中的铺展速度最快，可在40 ns内到达通道出口。而T2通道中的水分子无法再100ns内抵达通道出口。这一时间差意味着用g-C3N4构造纳米传感器不能忽略其自身的各向异性，材料的空间朝向对水分子的探测灵敏度有明显影响。通过拟合水分子铺展面积与时间的线性关系，研究发现g-C3N4纳米通道呈现出远高于Tanner’s law (A ∼ t0.2)的铺展效率，这也意味着g-C3N4纳米通道可以实现超快表面润湿过程（见图2）。此外研究还发现，各向异性结构使得水分子可通过氢键作用“跳跃”至邻近天然缺陷，形成隐藏迁移路径。在T3通道中，该路径的激活概率达16.2%，使水分子扩散速度提升47%。
图2. （a）不同通道内水分子铺展图案；（b-c）水分子铺展距离；（d）铺展面积与铺展时间的关系
从运动的细节上看，材料的各向异性直接影响了水分子的运动路径。模拟表明，水分子倾向于沿“天然缺陷-半结构单元-天然缺陷”路径迁移，而非直接沿通道轴向运动（见图3）。从能量角度看，T1和T3通道内的水分子沿着z轴方向运动的能垒过高，这迫使水分子不得不进行斜向运动。尽管斜向运动增加了水分子的运动距离，但避免了迁移时的侧向干扰，这使得T1和T3通道水分子自发运动速率更快。正是这种运动方向的差异，造成了不同通道内水分子从入口迁移至出口时间差异。这种运动方向的差异也导致了不同通道内水分子铺展图案的不同。
图3. （a-d）不同通道内水分子运动方向；（e-f）不同路径上的水分子自由能变化；（g）氢键介导的水分子跳跃
各向异性还会影响的水分子传输效率。在压力作用下，T2纳米通道的水流量显著高于T1和T3。当通道厚度为1.2 nm时，T2通道的水流量比T3高出17.9% （见图4）。研究表明，T2通道的主要迁移路径与压力方向一致，减少了水分子实际位移的浪费。活化能分析显示，T2通道具有最低的活化能，进一步证实其高效的水传输能力。另外，水分子与g-C3N4之间的摩擦力大小也与迁移方向有关，同等层间距的条件下，T2通道的摩擦系数最小，这说明运输同等质量的水分子，T2通道的能量消耗最少。
图4. （a）不同通道内水分子流速；（b）不同通道内水分子运动方向偏好
李金宇教授指出：“这项工作从分子层面揭示了各向异性对水运输行为的调控机制。通过优化纳米通道方向，可在不改变材料厚度或压力条件下提升传输效率，为开发高性能纳米过滤膜和微流控芯片提供了新策略。”
该论文第一作者为刘以畅博士，共同第一作者为谢嵩博士，通讯作者为南通大学的江宇博士和李金宇教授。
作者简介：
刘以畅，博士毕业于福州大学，导师李金宇教授。现为南通大学药学院青年教师，主要从事二维纳米材料分离技术的模拟研究，及多尺度复杂体系药物递送研究。目前以第一/共同作者及通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Sci.、Chem. Sci.、 J. Phys. Chem. B、Phys. Chem. Chem. Phys.等刊物上发表SCI论文10余篇。
李金宇，福州大学化学学院教授、博士生导师、福建省闽江学者特聘教授，主要从事蛋白质计算化学生物学方法开发与靶向干预工具发现。以通讯作者在Nat. Chem. Biol.、Nat. Commun.、J. Med. Chem.等期刊上发表SCI论文50余篇，获授权发明专利3项、软件著作权3项。主持国家自然科学基金项目3项，入选中组部专业人才服务东北项目。
该研究由国家自然科学基金（22173020、22102027）和福建省自然科学基金（2019J06007）资助。
原文链接：https://doi.org/10.1063/5.0295198
