冉冉升起的新熱點!納米流體時代來瞭,20餘篇Nature、Science帶你領略

納米流體學研究的是在納米尺度通道內物質的傳輸行為。雖然固態物理學對納米流體學已經研究瞭很長時間,但是由於系統研究納米流體學所需的納米流體器件是阻礙該領域發展的一大瓶頸,因此科學傢們對分子、離子等物質在納米通道中傳輸行為的實驗性研究目前隻有15年的短暫時光。近幾年來隨著大量新型納米材料和制備納米通道的精細加工技術的出現,納米流體學領域研究進展發生瞭巨大的飛躍,根據現有的研究成果和納米流體學目前的發展趨勢,法國巴黎高等師范學院Lydéric Bocquet教授近日在Nature Materials的一篇理論中指出:納米流體學時代來瞭!為什麼Lydéric Bocquet教授會有如此的感慨和見解呢?在該評論中,Lydéric Bocquet教授列出瞭以下4點理由:

(1)納米材料種類的增加(特別是以石墨烯為代表的二維材料的出現)使各種結構和形狀可調的納米通道制備得以實現;

(2)先進設備和技術的出現使科學傢們不僅可以研究物質在通道內部的傳輸行為,還可以研究流體在通道內部本體的性質;

(3)納米尺度下物質許多意想不到的行為和“奇異”特性已經被揭示出來;

(4)這些基礎研究發現有望解決膜科學應用領域的“重難點問題”,特別是水-能源領域的挑戰。

在這裡,小編選取瞭部分發表在Nature、Science(及子刊)上的納米流體學領域研究成果,來向大傢重點介紹過去幾年內該領域的重大技術進步和發現、以及它們對膜分離技術和水-能源技術的影響和未來的挑戰。

【一.納米通道制備方式】

首先,納米流體學研究領域最核心的一步是構建穩定的納米通道,通過對這些研究成果的分析,我們總結出瞭5種最常用的納米通道制備方法。

(1) 直接鑿孔法

這種方法一般是將寡層二維材料置放在襯底上利用高能激光電子束、氧等離子體或其他化學物質對其進行選擇性刻蝕造孔,通過調節二維材料在刻蝕源下的暴露時間來對納米孔大小和密度進行調節。比如美國橡樹嶺國傢實驗室Shannon M. Mahurin教授研究團隊利用氧等離子體蝕刻制備多孔單片層石墨烯膜[Nature Nanotechnology, 10(5), 459–464; 圖1A];瑞士蘇黎世理工學院Hyung Gyu Park教授研究團隊利用KOH刻蝕得到具有規整陣列納米孔的雙層石墨烯氣體分離膜[Science, 344(6181), 289–292;圖1B]。

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圖1.A和B分別是氧等離子體刻蝕造孔示意圖以及KOH刻蝕得到的陣列納米孔石墨烯薄膜

(2) 范德華力組裝法

范德華力組裝法主要是依靠二維材料之間較強的范德華力來使構建的二維納米通道穩定存在。其制備過程主要可以分為5個步驟,如圖2所示:第一步是在襯底上造一個的長方形孔;第二步是將該孔用底層材料(如石墨、h-BN)覆蓋;第三步是將含有不同層數、具有等間距條紋的二維材料覆蓋在底層材料上,標記為間隔層(間隔層的高度即為納米/埃米通道的高度);第四步是將底層和間隔材料與襯底長方形孔重疊的部分刻蝕掉,形成一個大小一致的方孔;第五步是在具有條紋結構的間隔層表面覆蓋一層與底層材料相同的頂層材料[具體制備過程可以參考文獻Nature, 2016, 538(7624): 222-225]。

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圖2. 范德華力組裝制備納米通道示意圖

(3) 真空自組裝法

真空自組裝法是將二維材料分散液通過真空抽濾的方式得到的二維材料層層堆積的薄膜,這種制備方式較簡單,可以通過調節二維片層之間的層間距來控制納米通道尺寸,以及通道分散液的濃度或量來控制薄膜的厚度,因此目前是制備納米通道最常見的方法。

(4) 利用本征納米通道

如碳納米管、BN納米管這類本身就具備納米通道的材料,可以通過控制制備過程來對管徑進行調節,進而實現對納米孔道尺寸的控制。同時,由於納米管材料很難單獨形成完整的流體通道,因此在實驗中一般將納米管鑲嵌在某種基體中進行後續的研究,如勞倫斯利弗莫爾國傢實驗室Aleksandr Noy教授團隊將碳納米管嵌在磷脂膜中得到復合納米通道[Science, 357(6353), 792–796]。

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圖3.CNT/磷脂復合納米水通道結構示意圖

(5) 有機合成納米通道

上述幾種方法主要是依靠Top-Down的方式來制備納米通道,存在對儀器設備要求高和通道穩定較差等缺點。而有機合成法制備納米通道可以避免這些缺點,同時還可以對納米通道進行更精確的控制。比如賓夕法尼亞州立大學Manish Kumar、Ratul Chowdhury教授團隊聯合伊利諾伊大學Aleksei Aksimentiev教授團隊設計合成瞭一種內部具有三維連通孔道的多孔大分子PAH[4]s,其通道可以精確到1Å[Nat.Nanotechnol. 15, 73–79 (2020)]

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圖4.人工合成納米通道PAH[4]s分子結構

【二.重大技術進步和發現】

物質在終極尺度(納米、埃米)通道內部的傳輸行為具有顯著區別於宏觀尺度通道的差異和獨特的現象,比如物質在納米通道內超快速傳輸和傳輸機理變化、水在納米受限空間內的異常物理性質或結構變化、質子可以穿過單層石墨烯和h-BN、納米尺度下的離子庫侖阻塞效應等等。在這裡我們選擇瞭11篇文獻來對這些重大技術進步和發現來做簡要介紹。

1.Nature:水分子在碳納米管內部的無摩擦高速流動

法國巴黎高等師范學院Lydéric Bocquet教授聯合美國佈朗大學Derek Stein教授課題組研究發現碳納米管內部依賴於輻射的流動滑移可以使水分子在碳納米管道內部進行無摩擦高速流動,而與碳管具有相同晶體類型但是電子結構不同的氮化硼納米管內部則沒有這種現象,說明納米通道內部物質的傳輸行為與在原子尺度上的固體-流體界面性質有很大關聯。該研究以題為“Massive radius-dependentflow slippage in carbon nanotubes”發表在《Nature》期刊上。

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原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/nature19315

2.Nature:低維受限空間內的方形冰晶

曼徹斯特大學A. K. Geim教授、德國烏爾姆大學G.Algara-Siller教授和中國科技大學H. A.Wu教授課題組聯合發現室溫下水在二維疏水石墨烯片層之間形成瞭正方形的冰晶,這種冰晶堆積密度較高,晶格常數為2.83Å,可形成雙層和三層微晶,同時與傳統的水分子間氫鍵形成的四面體結構相比,這種正方形的冰晶具有很好的對稱性。該研究以題為“Square ice in graphenenanocapillaries”發表在《Nature》期刊上。

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原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/nature14295

3.Nature:水分子在具有原子級精度的二維納米通道中的異常快速傳輸

英國曼徹斯特大學Andre Geim教授及其合作者利用石墨烯的原子平整度,通過微加工技術制備得到瞭具有原子級精度且大小可調的納米通道,發現在這些通道內部水分子與通道壁較強的相互作用可以產生很大的分離壓(1000 bar),使水分子在納米通道以毛細效應傳輸時最大速度可以達到1 m/s。該研究以題為“Moleculartransport through capillaries made with atomic-scale precision”發表在《Nature》期刊上。

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原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/nature19363

4.Nature:氣體分子在二維納米通道內的彈道傳輸

曼徹斯特大學Andre Geim教授團隊研究發現當以具有原子級別高表面平整度的石墨烯或h-BN作為納米通道的壁面時,氣體分子在通道內部產生大量的鏡面反射,大大提高分子在通道內部的傳輸速度,表現出明顯的彈道傳輸機制(指當載流子的平均自由程遠大於介質的尺度時,載流子在介質中的輸運過程中幾乎不受到散射)。該研究以題為“Ballistic moleculartransport through twodimensional channels”發表在《Nature》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/s41586-018-0203-2

5.Nature:二維埃米通道內分子/離子傳輸對電流和壓力的依賴性

英國曼徹斯特大學AndreGeim教授及其合作者發現埃米級二維通道內水分子/離子與通道壁材料之間的摩擦作用會大大地影響其傳輸動力學,而受到外部微弱的擾動(機械壓力和電場力)後,傳輸性能會大幅度變化。研究發現發現水分子/離子與石墨烯通道壁之間的低摩擦性導致瞭體系電滲遷移率μ與電壓呈二次關系,而與h-BN之間較大的摩擦系數導致瞭體系電滲遷移率μ與電壓呈一次關系(線性關系)。該研究以題為“Molecularstreaming and its voltage control in ångström-scale channels”發表在《Nature》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-0961-5

6.Science:離子通過埃米級二維通道的尺寸效應

英國曼徹斯特大學Andre Geim教授和K. Gopinadhan教授課題組聯合研究瞭由石墨烯、h-BN和MoS2這三種二維材料構成的超強度約束埃米通道內部離子的傳輸行為,發現空間效應的作用導致二維通道內部壁上的表面電荷很少,當水合離子的直徑大於二維通道的尺寸時仍然可以以較低的速度進行傳輸和滲透,同時這種效在相同直徑的陰離子和陽離子之間有明顯的不對稱性。該研究以題為“Size effect in ion transportthrough angstrom-scale slits”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/358/6362/511

7.Science:超低介電常數界面水

英國曼徹斯特大學Andre Geim教授和L. Fumagalli教授課題組聯合首次通過實驗證明瞭受限條件下界面水的介電常數遠低於普通環境中水的介電常數(≈80)。研究者對由h-BN構建的尺度約為1nm的通道中的受限界面水進行瞭測量,發現納米尺度下界面水的介電常數低至2左右,這種水與介質之間的表面相互作用導致的介電常數異常降低對於深層次地理解生物系統中的長期相互作用具有重要意義。該研究以題為“Anomalously low dielectricconstant of confined water”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/360/6395/1339

8.Nature:質子通過單原子厚度的晶體傳輸

英國曼徹斯特大學Andre Geim教授聯合中國科技大學H. A. Wu教授團隊發現熱質子(質子是電子和原子之間的一種中間狀態)在單層石墨烯和h-BN中具有較高滲透性,而對於較厚的晶體,如單層二硫化鉬、雙層石墨烯或多層hBN,則不能進行傳輸。同時研究者發現由於較低的電導率,單分子層h-BN顯示出比單層石墨烯更高的質子滲透率。該研究以題為“Proton transport throughone-atom-thick crystals”發表在《Nature》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/nature14015

9.Nature:電控制水在氧化石墨烯薄膜中的滲透性

英國曼徹斯特大學R. R. Nair教授課題組通過可控電擊穿在微米級石墨烯氧化(GO)膜中制造瞭導電細絲,這些導電細絲周圍會形成電場使GO膜中二維片層毛細血管中的水分子電離,從而阻礙水的運輸。研究表明通過該方法可以實現對水滲透的精確控制——從超快滲透到完全堵塞,這為開發人工生物系統、組織工程和過濾的智能膜技術開辟瞭一條道路。該研究以題為“Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes”發表在《Nature》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/s41586-018-0292-y

10.Nature nanotechnology:石墨烯納米流體通道中的快速水傳輸

美國波士頓大學Chuanhua Duan教授課題組設計瞭一種新的混合納米通道來測量單個石墨烯納米通道中水的傳輸阻力和滑移長度。研究結果表明當石墨烯納米通道高度在0~200nm之間變化時,通道中石墨烯的滑移長度均≈16nm,而這是由於石墨烯的表面電荷性質以及石墨烯和其SiO2襯底之間的相互作用引起的。該研究以題為“Fast water transport ingraphene nanofluidic channels”發表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/s41565-017-0031-9

11.Nature Materials:納米通道內離子庫侖封鎖觀察

瑞士洛桑工程學院Aleksandra Radenovic教授研究團隊對單個亞納米孔通道中離子的傳輸進行瞭測量以及對離子庫侖封鎖效應進行瞭觀察,實驗結果符合離子庫侖封鎖模型中對離子在亞納米通道內傳輸行為的預測,同時研究表明納米尺度的原子細孔有助於探索離子傳輸行為,這可以進一步加深人們對生物離子通道運輸的理解。該研究以題為“Observation of ionicCoulomb blockade in nanopores”發表在《Nature Materials》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/nmat4607

【三.具有納米通道的分離膜材料】

物質的分離與純化在工業生產和人們的日產生活中扮演者重要的作用,其中分離膜材料是分離與純化技術的核心材料。分離膜材料面臨的最大問題是分離系數與滲透率之間的矛盾性關系,目前商業化分離膜為瞭保證較高的分離系數而大幅度犧牲瞭滲透率,因此導致瞭很低的純化效率。而現有的研究表明由於納米通道內部物質具有獨特的傳輸行為,這可以避免滲透性和選擇性之間的取舍——能夠同時提高分離系數和滲透率,因而納米通道在未來的高效分離膜制備領域顯示出瞭極大的應用潛力。在此,我們選擇瞭13篇研究文獻來對納米流體學在分離領域的應用做簡要介紹。

1.Science:寡層多孔石墨烯高效氣體分離膜

瑞士蘇黎世理工學院Hyung Gyu Park教授研究團隊發現氣體在寡層多孔石墨烯膜中以自由分子(溢出)機制進行傳輸,顯著減小氣體分子與通道壁之間摩擦碰撞來提高氣體滲透速度的同時,還可以利用分子間的分子量差異來對氣體分子進行高效的選擇性滲透,測試結果顯示H2的滲透率和H2/CO2分離系數分別可以達到10-2 mol m-2s-1 Pa-1和10,綜合性能遠超多孔聚合物和無機氣體分離膜。該研究以題為“Ultimate PermeationAcross Atomically Thin Porous Graphene”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/344/6181/289

2.Science:石墨烯/h-BN膜分離氫同位素

英國曼徹斯特大學A. K. Geim教授聯合M. Lozada-Hidalgo教授研究團隊對H+和D+在寡層石墨烯或h-BN膜中傳輸行為進行瞭研究,發現無論是在石墨烯還是h-BN膜中,H+的傳輸速度(σH)均遠大於D+的傳輸速度(σD)[σH/σD≈10],而造成H+和D+在二維材料中出現這種傳輸速度差異地原因是H+和D+零點能量的不同——D+離子透過膜需要克服更高的能壘,因此二維材料作為節能的分離膜材料在氫同位素濃縮領域有較大的應用潛力,有望取代目前高耗能的電解-蒸餾法。該研究以題為“Sieving hydrogen isotopes throughtwo-dimensional crystals”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/351/6268/68

3.Science:精確高效氧化石墨烯分離膜

英國曼徹斯特大學A. K. Geim教授聯合R. R. Nair教授團隊研究瞭小分子在微米級氧化石墨烯(GO)膜中的滲透行為,發現在幹燥狀態下由於二維片層之間的真空密封作用,小分子不能進行滲透;而浸泡在水中的GO膜可以像分子篩一樣對水合半徑大於4.5Å的分子進行阻隔,而小於該尺寸的分子可以在GO片層間較高的毛細管壓力下以較快的速度進行滲透傳輸。該研究以題為“Precise and UltrafastMolecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/343/6172/752

4.Science:提高碳納米管亞納米孔的透水性和離子選擇可調性

美國勞倫斯利弗莫爾國傢實驗室Aleksandr Noy教授研究團隊制備瞭一種直徑為0.8nm的碳納米管孔蛋白(CNTPs),由於有較強的空間限制,水分子在CNTPs內部傳輸時分子間氫鍵會發生重排使水分子以單鏈狀進行滲透,其傳輸效率比生物體中水通道蛋白還高一個數量級,同時CNTPs還可以阻礙負離子的滲透,因此對物質的傳輸具有很高的選擇性。這些特性使CNTPs成為發展膜分離技術的理想材料。該研究以題為“Enhanced waterpermeability and tunable ion selectivity in subnanometer carbon nanotube porins”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/357/6353/792

5.Science:用於離子和分子分離的石墨烯/碳納米管復合納濾膜

武漢大學Quan Yuan教授團隊聯合加州大學洛杉磯分校Xiangfeng Duan教授團隊開發瞭一種具有優異機械強度的石墨烯/碳納米管(GNM/SWNT)復合納濾膜。在GNM/SWNT復合納濾膜中,有高密度亞納米孔的GNM可以有效地運輸水分子,同時阻止溶質離子或分子的流動,實現尺寸選擇性分離,而SWNT網絡結構則充當支持GNM的微觀物理框架,從而確保瞭原子厚度的GNM的結構完整性。該研究以題為“Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/364/6445/1057

6.Science:用於離子和分子分離的石墨烯/碳納米管復合納濾膜

南卡羅萊納州立大學Miao Yu課題組通過簡易的過濾工藝制備瞭厚度約為1.8nm的超薄氧化石墨烯(GO)膜,利用GO膜上的選擇性結構缺陷,GO膜對H2/CO2和H2/N2混合物的分離選擇性分別高達3400和900,比目前最先進的微孔膜高一到兩個數量級,因此是一種理想的富氫分離膜材料。該研究以題為“Ultrathin,Molecular-Sieving Graphene Oxide Membranes for Selective Hydrogen Separation”發表在《Science》期刊上。

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https://science.sciencemag.org/content/342/6154/95

7.Nature:陽離子插層調節氧化石墨烯分離膜選擇性

上海應用物理研究所研究院方海平、李景燁以及上海大學吳明紅團隊、南京工業大學金萬勤團隊等聯合研究發現氧化石墨烯(GO)中含氧基團和芳環共存的區域易與離子形成強的相互作用而使離子插層固定在該位點上,可以實現精度達到1 Å的層間距穩定調控,從而實現瞭對各種離子的高效阻隔和對水的快速選擇性滲透。該研究以題為“Ion sieving in grapheneoxide membranes via cationic control of interlayer spacing”的論文發表在《Nature》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/nature24044

8.Nature Nanotechnology:用於海水淡化的單層納米孔石墨烯膜

美國橡樹嶺國傢實驗室Shannon M. Mahurin教授研究團隊利用氧等離子體蝕刻工藝制備瞭具有化學和機械穩定性的單原子厚度納米孔石墨烯膜,這種多孔石墨烯膜具有優異的水滲透速度(106g m-2s-1)和高效的離子截留率(接近100%),在海水淡化領域顯示出瞭巨大的應用潛力。該研究以題為“Water desalination usingnanoporous single-layer graphene”的論文發表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/nnano.2015.37

9.Nature Nanotechnology:多層石墨烯基納米孔膜中離子擴散的低壓靜電調制

澳大利亞墨爾本大學Dan Li教授課題組研究團隊利用層狀石墨烯基納米孔膜中的可調納米約束通道,證明瞭<2 nm的約束離子擴散可以被界面電雙層(EDL)強烈調控。研究表明隨著工程技術的進步和原子精確納米孔、通道和電路的規模化生產,與尺寸縮小相關的離子傳輸的場效應控制很可能使邏輯和信號傳輸設備和設備成為可能。該研究以題為“Low-voltageelectrostatic modulation of ion diffusion through layered graphene-based nanoporousmembranes”的論文發表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/s41565-018-0181-4

10.Nature Nanotechnology:離子選擇性可調的氧化石墨烯膜

英國曼徹斯特大學Rahul R. Nair教授研究團隊將氧化石墨烯(GO)膜封裝在環氧樹脂中來控制GO膜的層間距(離子通道尺寸)。結果顯示當層間距<10Å時,形成的亞納米通道尺寸小於離子的水合半徑,離子的滲透率被大幅度抑制而水的滲透率則未受到明顯的影響,因此在海水淡化領域具有極大的應用潛力。該研究以題為“Tunable sieving of ionsusing graphene oxide membranes”的論文發表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/nnano.2017.21

11.Nature Materials:疏水基團提升MoS2膜分離穩定性

法國蒙彼利埃第一大學Damien Voiry教授課題組聯合中國香港理工大學Nicolas Onofrio教授課題組采用疏水基團改性的策略來提高MoS2薄膜的層間距和在水中的穩定性,顯示出對離子和有機小分子較高的抑制率的同時還有很高的水滲透率,研究結果表明疏水基團可以增加和穩定二維通道尺寸,以及減弱水與MoS2基體的相互作用,增加水在納米通道內的滑移長度和傳輸速度。該研究以題為“Enhanced sieving fromexfoliated MoS2 membranes via covalent functionalization”的論文發表在《Nature Materials》期刊上

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https://www.nature.com/articles/s41563-019-0464-7

12.Nature Materials:用於有機溶劑納濾的氧化石墨烯膜

英國曼徹斯特大學R R Nair教授聯合Yang Su教授研究團隊將尺寸介於10-20 um之間的大片層GO組裝成超薄(8 nm)層狀GO膜(HLGO),研究瞭各種溶劑在HLGO中的傳輸行為以及對不同分子量物質的分離/截留性能。這項研究表明不同厚度的GO膜中存在不同的溶劑傳輸路徑,通過改變通道結構和傳輸機制,有機溶劑也可以在多層GO膜中有很高的滲透率和優異的分子截留性能,這在需要溶劑納濾的制藥和石化等領域具有重要的應用潛力和價值。該研究以題為“Ultrathin graphene-basedmembrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation”的論文發表在《Nature Materials》期刊上。

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https://www.nature.com/articles/nmat5025

13.Nature Nanotechnology:人造“細胞膜”,水/NaCl選擇性超過109

賓夕法尼亞州立大學Manish Kumar、RatulChowdhury教授團隊聯合伊利諾伊大學Aleksei Aksimentiev教授團隊通過合成制備得到瞭具有三維連通結構的單分子分離孔道,將其與雙層磷脂復合後制備的反滲透分離膜顯出瞭類似於水通道蛋白的超高水傳輸和離子選擇性能,單個通道在1秒鐘之內可以傳輸(3.7±0.3)×109個H2O分子,H2O/NaCl分離系數可達109。而這是通過通道內部對水分子聚集態結構的改變以及對離子的尺寸效應綜合引起的,這為高效海水淡化膜的設計提供瞭新的思路。這項研究以題為“Artificialwater channels enable fast and selective water permeation through water-wirenetworks”的論文發表在《Nature Nanotechnology》期刊上

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https://www.nature.com/articles/s41565-019-0586-8

【四.納米流體學對水-能源技術的影響】

納米流體學對水-能源技術的影響主要可以分為兩部分,第一是利用納米通道內的特殊傳輸行為對海水進行高效淡化,這一部分在第【三】節中已經做瞭詳細介紹;另一部分是利用離子在納米通道內的高效選擇性傳輸以及具有濃度差的海水-淡水來進行發電,也即滲透能-電能之間的高效轉換。這裡我們選擇瞭三篇研究文獻來對納米流體學在水-能源技術的應用做簡要介紹。

1.Nature 單層納米孔MoS2膜實現巨大的滲透能-電能轉換

瑞士洛桑聯邦理工學院Aleksandra Radenovic教授課題組制備瞭具有不同孔徑大小的單層MoS2多孔膜,由於Mo原子的親水性以及孔表面的負電荷屬性,在具有濃度差的雙KCl溶液槽中,水/K+在單層多孔MoS2分離膜中有較大的傳輸速度和選擇性,滲透能-電能轉換功率密度最大可達106 W m−2,比傳統交換膜反電滲析法獲得的功率密度高100萬倍,以題為“Single-layer MoS2 nanopores as nanopower”發表在《Nature》雜志上。

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https://www.nature.com/articles/nature18593

2.Nature:單跨膜BN納米管中的滲透能-電能轉換

法國裡昂大學Lyde’ric Bocquet教授課題組研究發現與流體(電解質)接觸的BN納米管內壁含有大量的負電荷,有助於離子的快速選擇性傳輸;當BN納米管處於兩個具有濃度差的電解質溶液槽之間時能實現較大的滲透能-電能轉換,通過優化管徑和溶液的pH值,最大轉換功率密度能夠達到4 kW m-2。該研究以題為“Giant osmotic energy conversion measuredin a single transmembrane boron nitride nanotube”的論文發表在《Nature》雜志上。

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原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/nature11876

3. Nature Nanotechnology:合成法制備用於滲透能轉換的納米多孔膜

荷蘭萊頓大學Grégory F. Schneider教授聯合德國烏爾姆大學Ute Kaiser教授團隊聯合利用具有核-邊結構的多環芳烴HPAHBC單體分子,經過壓力驅動組裝-高溫熱解交聯的方式制備得到瞭孔徑為3.6±1.8nm,厚度為2.0±0.5nm的碳膜。碳膜孔上較多的-COO-使膜孔呈負電性,在較高濃度差的電解質溶液中間作為隔膜時,對離子具有較高選擇性,因此顯示出優異的滲透能轉換性能,輸出功率最高可達67 W m−2。該研究以題為“Powergeneration by reverse electrodialysis in a single-layer nanoporous membranemade from core–rim polycyclic aromatic hydrocarbons”的論文發表在《Nature Nanotechnology》雜志上。

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原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0641-5

【總結:納米流體學未來的挑戰】

納米流體學是一個蓬勃發展的領域,它研究的不僅是物理學和化學中的許多基本問題,同時也時刻保持對水、能源等有關於人類發展問題的關註。然而,正如“一個人知道的越多,就越感覺自己懂的太少”這句名言指出的一樣,雖然近年來納米流體學取得瞭較多的研究成果,但是在很多方面還都是空白。因此Lydéric Bocquet教授指出納米流體學在未來將面臨4大挑戰:

(1) 如何在研究中將各個學科有機的融合在一起。納米流體學是一個跨學科研究領域,如流體動力學、凝聚態物質、統計物理、化學、材料科學、生理學、生物學等,在研究中應該將這些學科聚集在一起,結合不同的觀點,才能推動該領域向前發展;

(2)超越“簡單的納米流體學裝置設計”的研究方式。精細的納米通道是納米流體學研究中的核心器件,如何充分利用納米流體學原理來設計結構復雜甚至具有“活性”的納米通道以及提出新的分離原理在未來很長一段時間仍是納米流體學重點的研究目標;

(3) 在納米尺度上觀察事物的運作。目前,人類在納米流體學上還存在較多的知識盲區,人們需要開發新的表征儀器和技術來進一步觀察納米尺度上事物的具體運作方式和原理;

(4) 納米流體學在通信領域的應用。盡管離子的傳輸速度很慢,但它們比電子有很多的優勢,比如離子有氣味和顏色(不同的價態、大小、極化率等等導致),人們是否可以利用這些補充信號來設計更高效的信息處理器?

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