科學(xué)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(guò)，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(xué)國(guó)家石墨烯研究所（NGI）的研究人員成功地在一個(gè)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(guò)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(guò)濾器如水通道蛋白的工作機(jī)理，從而有助于開發(fā)用于海水脫鹽和相關(guān)技術(shù)的高通量過(guò)濾器。

對(duì)于對(duì)流體及其過(guò)濾行為感興趣的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，可控地制造尺寸接近小離子和單個(gè)水分子的毛細(xì)管是一個(gè)終極但看似遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。

研究人員一直在試圖模擬自然發(fā)生的離子運(yùn)輸系統(tǒng)，但事實(shí)證明這是不容易的。使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(shí)候，NGI開發(fā)的石墨烯氧化物衍生膜受到相當(dāng)大的關(guān)注，是新型過(guò)濾技術(shù)的潛力選手。這項(xiàng)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(shí)世界前景。

為了更好地了解離子運(yùn)輸背后的基本機(jī)制，曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim爵士領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(xué)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(guò)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(gè)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(gè)邊緣放置兩個(gè)火柴，然后再放上另一本書，”Geim解釋說(shuō)，“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?！?/p>

這種組裝靠范德華力結(jié)合在一起，狹縫大小與水通道蛋白的直徑大致相同，這對(duì)活生物體至關(guān)重要。狹縫是可能的最小尺寸，因?yàn)榫哂休^薄間隔物的狹縫是不穩(wěn)定的，并且可能由于相對(duì)壁之間的吸引而塌陷。

在將離子浸入離子溶液中時(shí)，如果在其上施加電壓，則離子會(huì)流過(guò)狹縫，并且該離子流將構(gòu)成電流。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)狹縫測(cè)量離子電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)離子可以在施加的電場(chǎng)下按預(yù)期的方式移動(dòng)以通過(guò)狹縫。

博士后研究員Gopi Kalon博士解釋說(shuō)：“當(dāng)我們仔細(xì)觀察時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)較大的離子比較小的離子移動(dòng)得慢得多，就像氯化鉀?！?/p>

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

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