中國科大石墨烯納米通道水輸運機理研究取得重要突破
時間:2016-10-23 作者:topmembranes
據(jù)中科院網(wǎng)2016年10月19日訊 近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團隊與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學(xué)教授Andre Geim研究團隊合作，在石墨烯納米通道水輸運方面取得重要進展。該成果發(fā)表在10月13日出版的《Nature》上，中國科大特任副研究員王奉超是該文共同通訊作者。
眾所周知，石墨烯是由碳原子構(gòu)成的只有一層原子厚度的二維晶體。石墨烯不僅是一種最薄的材料，而且表面十分光滑。利用石墨烯的這一特點，研究人員提出了一種構(gòu)筑納米通道的新方法，該通道的尺寸調(diào)整精度可以控制在0.34納米，這是迄今為止實驗室內(nèi)能制備的最小尺寸的納米通道。
納米尺度下的物質(zhì)輸運一直是當(dāng)今實驗和理論研究的焦點之一，尤其是當(dāng)通道尺寸小至分子級別時，通道的表面性質(zhì)及固液界面相互作用會對物質(zhì)輸運起決定性作用。研究結(jié)果表明，水在該納米通道中以一種近似無摩擦的狀態(tài)高速運動，然而該通道中的流動細節(jié)和機理用目前的實驗手段難以表征和分析。中國科大研究團隊在該項工作中的核心貢獻是：采用理論分析和分子模擬研究了納米通道中的水傳輸機理，研究發(fā)現(xiàn)分子尺度下固液界面作用將增大水傳輸?shù)尿?qū)動力，從而大大提高了水的輸運效率，使得納米尺度下的流體輸運表現(xiàn)出跟宏觀尺度截然不同的尺寸效應(yīng)。該研究揭示了固液界面相互作用對納米流動行為具有決定性影響。
圖1. 石墨烯納米通道；實驗及模擬中觀測到的納米尺度水傳輸?shù)某叽缧?yīng)；分子模擬中水在該納米通道中的流動
利用石墨烯等二維材料精確構(gòu)筑的納米通道，為納米尺度物質(zhì)輸運提供了新的平臺和思路。該研究不僅對納米尺度下流體輸運機理的理解和認知產(chǎn)生重大影響，而且能夠為新型納米流體器件的設(shè)計和開發(fā)提供重要參考意義。基于該納米通道的設(shè)計方案制備的納米器件，將進一步強化石墨烯等二維材料在過濾、篩選、海水淡化及氣體分離等方面的應(yīng)用。