中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：據(jù)西南交通大學(xué)官網(wǎng)消息，10月27日，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Science發(fā)表西南交通大學(xué)博士生楊倩參與的論文“Size effect in ion transport through angstrom-scale slits” (離子在埃級(jí)別狹縫中傳輸?shù)某叽缧?yīng))，該工作由西南交通大學(xué)榮譽(yù)教授、曼徹斯特大學(xué)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Andre Geim（安德烈·海姆）教授引領(lǐng)，并作通信作者。文章DOI: 10.1126/science.aan5275。
相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑100萬分之一的埃 (?, 10-10m) 級(jí)別傳輸通道廣泛存在于大自然各類結(jié)構(gòu)和生命體組織中，對(duì)于特定離子的選擇性傳輸乃至維持生物的代謝功能發(fā)揮著重要作用。為了更好地理解該類傳輸系統(tǒng)的作用機(jī)制，并通過結(jié)構(gòu)上的可控制備來實(shí)現(xiàn)功能化體系的人工構(gòu)筑是科學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。
此前，盡管各國科學(xué)家已經(jīng)開展了大量嘗試，得到了各種維度和尺度的納米通道，但受制于孔道尺寸、材料本征缺陷、電荷特性等影響，還無法清晰理解和準(zhǔn)確描述離子在微小通道中的傳輸機(jī)理。該論文的研究發(fā)現(xiàn)，一種精確構(gòu)筑的埃級(jí)別石墨烯二維通道，可以讓多種鹽離子采取擠壓或平滑水合層方式穿過其中，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的差異化輸運(yùn)。
離子通道器件設(shè)計(jì)示意圖和原子力顯微鏡圖
來自英國、中國的科研團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控分子間范德華作用力，組裝得到具有原子級(jí)別光滑表面的石墨烯通道，僅兩層石墨烯厚度不同于準(zhǔn)一維納米管和生物通道，這種二維納米通道化學(xué)穩(wěn)定性良好，其高度潔凈表面使得通道表面電荷密度較此前文獻(xiàn)報(bào)道值低3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，可以阻隔水合直徑>13 ?的離子，這可以通過位阻效應(yīng)予以解釋。
研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于水合直徑分布在6.6-12.5?之間的常見金屬離子，雖然水合離子直徑依然大于通道尺寸，但該通道卻允許這些離子以不同的速率通過。文章的研究結(jié)果還顯示，水合離子在此類二維原子級(jí)受限空間傳輸時(shí)，表現(xiàn)出柔軟球體的特性，可以通過擠壓或平滑水合層的方式穿過該通道。進(jìn)一步對(duì)不同陽離子氯化鹽的漂移-擴(kuò)散研究，發(fā)現(xiàn)尺寸相當(dāng)?shù)年庩栯x子(和) 卻在該通道中表現(xiàn)出不對(duì)稱的遷移速率，可以通過離子外水合層的不同排布方式進(jìn)行解釋（如下圖所示）。
受限空間內(nèi)在陰、陽離子水合層外排布示意圖
該項(xiàng)成果共9人參與，主要來自曼徹斯特大學(xué)、西南交通大學(xué)、新加坡國立大學(xué)等大學(xué)或研究機(jī)構(gòu)。楊倩主要承擔(dān)埃級(jí)別尺寸通道的設(shè)計(jì)調(diào)控和器件組裝等工作，并參與離子傳輸機(jī)理討論等相關(guān)研究工作。據(jù)了解，楊倩同學(xué)畢業(yè)于我校2013級(jí)材料科學(xué)與工程專業(yè)（高分子方向），以專業(yè)第一的成績保送為我校材料學(xué)院（材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）周祚萬教授直博生，開展碳基納米材料研究。在國家留學(xué)基金委和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助下，經(jīng)導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)積極推薦，于2015年前往英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim教授課題組聯(lián)合培養(yǎng)。
周祚萬教授在接受采訪時(shí)表示，“這一成果不僅建立起了精確調(diào)控埃級(jí)別離子通道的方法，而且揭示了離子在受限空間中的傳輸機(jī)理，為納米流體學(xué)、受限空間離子輸運(yùn)以及分子分離技術(shù)等提供了重要的科學(xué)基礎(chǔ)”。據(jù)悉，這是該校學(xué)生首次在Science上合作發(fā)表學(xué)術(shù)論文，是西南交通大學(xué)一流人才培養(yǎng)的代表性成果。
http://science.sciencemag.org/content/358/6362/511
責(zé)編：珊珊
