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「石墨烯 过滤」曼彻斯特大学石墨烯新过滤技术建立原子级毛细管

时间:2019-07-15 来源:今夜新青年

英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的研究人员首次成功制造了一个原子尺寸的人造通道。新的毛细管人造通道非常像天然蛋白质通道,如水通道蛋白,小到足以阻止Na +和Cl-等最小离子的流动,但允许水自由流动。除了提高我们对原子级分子运输的基本理解,特别是在生物系统中,这些结构在脱盐和过滤技术中也是理想的。

团队负责人诺奖得主安吉尔·盖姆爵士解释说:“显然,不可能使毛细管人造通道的孔径小于一个原子。我们的壮举即使事后看来也几乎不可能,几年前更很难想象有这么小的毛细管人造通道。”

天然存在的蛋白质通道,例如水孔蛋白,允许水快速渗透它们,但由于空间(大小)排除和静电排斥等机制,会阻止大于约7 A的水合离子。研究人员一直试图制造出与天然毛细管一样的人造毛细管,但尽管在制造纳米级毛孔和纳米管方面取得了很大进展,但迄今为止所有此类结构仍然比生物通道大得多。

盖姆爵士及其同事现在已经开发了孔径仅为3.4 A的通道。这大约是最小水合离子的一半,例如K +和Cl-,其直径为6.6 A。这些通道的行为与蛋白质通道一样,因为它们小到足够以阻挡这些离子,但是又大到足够以允许水分子(直径约2.8 A)可自由流过。

重要的是,这些结构有助于开发用于海水淡化和相关技术的具有成本效益的高通量过滤器,这是该领域研究人员的圣杯。

研究人员在科学上发表了他们的研究结果,他们使用范德瓦尔斯装配技术制造了他们的结构,这种技术也被称为“原子尺度乐高”,这是由于对石墨烯的研究而发明的。

研究论文的共同作者Radha Boya博士解释道:“我们从块状石墨中切割出厚度仅为50和200纳米的原子级扁平纳米晶体,然后将单层石墨烯条带放置在这些纳米晶体的表面上。当相似的原子级扁平晶体随后放在顶部时,这些条带用作两个晶体之间的间隔物。得到的三层组件可以看作是一对边缘位错,其间具有平坦的空隙。这个空间只能容纳一层原子水。”


「石墨烯 过滤」曼彻斯特大学石墨烯新过滤技术建立原子级毛细管


她说,使用石墨烯单层作为间隔物是首创,这就是使新通道与以前任何结构不同的原因。

曼彻斯特科学家设计的2D毛细管宽130纳米,长度为几微米。他们将它们组装在氮化硅膜的顶部,将两个隔离的容器分开,以确保通道是水和离子可以流过的唯一通道。

到目前为止,研究人员只能测量通过毛细管流动的水,这些毛细血管具有更厚的间隔物(约6.7 A高)。虽然他们的一些分子动力学模拟表明,由于范德华尔在相对墙壁之间的吸引力,较小的2D腔体应该会倒塌,但其他计算指出,狭缝中的水分子实际上可以起到支撑作用,甚至可以防止一个原子高的狭缝(只有3.4埃高)掉下来。

Radha说:“我们使用称为重力测量的技术测量了通过我们的通道的水渗透。在这里,我们允许小型密封容器中的水仅通过毛细管蒸发,然后我们精确测量(以微克精度计)容器在几个小时内损失的重量。”

为此,研究人员表示,他们并行建立了大量通道(超过一百个),以提高测量的灵敏度。他们还使用较厚的顶部晶体来防止下垂,并修剪毛细管的顶部开口(使用等离子蚀刻)以消除此处存在的薄边缘的任何潜在阻塞。

为了测量离子流,他们通过施加电场迫使离子穿过毛细管,然后测量产生的电流。

Radha说:“如果我们的毛细管孔径大于两个原子,我们发现小离子可以自由移动。相比之下,没有离子可以通过我们最终小的单原子通道。“

“例外的是质子,已知它作为真正的亚原子粒子通过水,而不是在直径为几埃的相对较大的水合壳中装饰的离子。因此,我们的通道阻挡了所有水合离子,但允许质子通过。“

由于这些毛细管的行为方式与蛋白质通道相同,因此它们对于更好地了解水和离子在分子尺度上的表现非常重要, 就像在埃级生物过滤器中一样。盖姆爵士解释道:“我们的工作(现在和以前的工作)表明,原子限制的水与大量水的性质有很大不同。例如,它变得强烈分层,具有不同的结构,并表现出截然不同的介电特性。”

参考来源:曼彻斯特大学 (由智识咨询独家编译 末经允许不得转载)

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