冉冉升起的新热点!纳米流体时代来了,20余篇Nature、Science带你领略

纳米流体学研究的是在纳米尺度通道内物质的传输行为。虽然固态物理学对纳米流体学已经研究了很长时间,但是由于系统研究纳米流体学所需的纳米流体器件是阻碍该领域发展的一大瓶颈,因此科学家们对分子、离子等物质在纳米通道中传输行为的实验性研究目前只有15年的短暂时光。近几年来随着大量新型纳米材料和制备纳米通道的精细加工技术的出现,纳米流体学领域研究进展发生了巨大的飞跃,根据现有的研究成果和纳米流体学目前的发展趋势,法国巴黎高等师范学院Lydéric Bocquet教授近日在Nature Materials的一篇理论中指出:纳米流体学时代来了!为什么Lydéric Bocquet教授会有如此的感慨和见解呢?在该评论中,Lydéric Bocquet教授列出了以下4点理由:

(1)纳米材料种类的增加(特别是以石墨烯为代表的二维材料的出现)使各种结构和形状可调的纳米通道制备得以实现;

(2)先进设备和技术的出现使科学家们不仅可以研究物质在通道内部的传输行为,还可以研究流体在通道内部本体的性质;

(3)纳米尺度下物质许多意想不到的行为和“奇异”特性已经被揭示出来;

(4)这些基础研究发现有望解决膜科学应用领域的“重难点问题”,特别是水-能源领域的挑战。

在这里,小编选取了部分发表在Nature、Science(及子刊)上的纳米流体学领域研究成果,来向大家重点介绍过去几年内该领域的重大技术进步和发现、以及它们对膜分离技术和水-能源技术的影响和未来的挑战。

【一.纳米通道制备方式】

首先,纳米流体学研究领域最核心的一步是构建稳定的纳米通道,通过对这些研究成果的分析,我们总结出了5种最常用的纳米通道制备方法。

(1) 直接凿孔法

这种方法一般是将寡层二维材料置放在衬底上利用高能激光电子束、氧等离子体或其他化学物质对其进行选择性刻蚀造孔,通过调节二维材料在刻蚀源下的暴露时间来对纳米孔大小和密度进行调节。比如美国橡树岭国家实验室Shannon M. Mahurin教授研究团队利用氧等离子体蚀刻制备多孔单片层石墨烯膜[Nature Nanotechnology, 10(5), 459–464; 图1A];瑞士苏黎世理工学院Hyung Gyu Park教授研究团队利用KOH刻蚀得到具有规整阵列纳米孔的双层石墨烯气体分离膜[Science, 344(6181), 289–292;图1B]。

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图1.A和B分别是氧等离子体刻蚀造孔示意图以及KOH刻蚀得到的阵列纳米孔石墨烯薄膜

 

(2) 范德华力组装法

范德华力组装法主要是依靠二维材料之间较强的范德华力来使构建的二维纳米通道稳定存在。其制备过程主要可以分为5个步骤,如图2所示:第一步是在衬底上造一个的长方形孔;第二步是将该孔用底层材料(如石墨、h-BN)覆盖;第三步是将含有不同层数、具有等间距条纹的二维材料覆盖在底层材料上,标记为间隔层(间隔层的高度即为纳米/埃米通道的高度);第四步是将底层和间隔材料与衬底长方形孔重叠的部分刻蚀掉,形成一个大小一致的方孔;第五步是在具有条纹结构的间隔层表面覆盖一层与底层材料相同的顶层材料[具体制备过程可以参考文献Nature, 2016, 538(7624): 222-225]。

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图2. 范德华力组装制备纳米通道示意图

(3) 真空自组装法

真空自组装法是将二维材料分散液通过真空抽滤的方式得到的二维材料层层堆积的薄膜,这种制备方式较简单,可以通过调节二维片层之间的层间距来控制纳米通道尺寸,以及通道分散液的浓度或量来控制薄膜的厚度,因此目前是制备纳米通道最常见的方法。

(4) 利用本征纳米通道

如碳纳米管、BN纳米管这类本身就具备纳米通道的材料,可以通过控制制备过程来对管径进行调节,进而实现对纳米孔道尺寸的控制。同时,由于纳米管材料很难单独形成完整的流体通道,因此在实验中一般将纳米管镶嵌在某种基体中进行后续的研究,如劳伦斯利弗莫尔国家实验室Aleksandr Noy教授团队将碳纳米管嵌在磷脂膜中得到复合纳米通道[Science, 357(6353), 792–796]。

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图3.CNT/磷脂复合纳米水通道结构示意图

 

(5) 有机合成纳米通道

上述几种方法主要是依靠Top-Down的方式来制备纳米通道,存在对仪器设备要求高和通道稳定较差等缺点。而有机合成法制备纳米通道可以避免这些缺点,同时还可以对纳米通道进行更精确的控制。比如宾夕法尼亚州立大学Manish Kumar、Ratul Chowdhury教授团队联合伊利诺伊大学Aleksei Aksimentiev教授团队设计合成了一种内部具有三维连通孔道的多孔大分子PAH[4]s,其通道可以精确到1Å[Nat.Nanotechnol. 15, 73–79 (2020)]

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图4.人工合成纳米通道PAH[4]s分子结构

【二.重大技术进步和发现】

物质在终极尺度(纳米、埃米)通道内部的传输行为具有显著区别于宏观尺度通道的差异和独特的现象,比如物质在纳米通道内超快速传输和传输机理变化、水在纳米受限空间内的异常物理性质或结构变化、质子可以穿过单层石墨烯和h-BN、纳米尺度下的离子库仑阻塞效应等等。在这里我们选择了11篇文献来对这些重大技术进步和发现来做简要介绍。

1.Nature:水分子在碳纳米管内部的无摩擦高速流动

法国巴黎高等师范学院Lydéric Bocquet教授联合美国布朗大学Derek Stein教授课题组研究发现碳纳米管内部依赖于辐射的流动滑移可以使水分子在碳纳米管道内部进行无摩擦高速流动,而与碳管具有相同晶体类型但是电子结构不同的氮化硼纳米管内部则没有这种现象,说明纳米通道内部物质的传输行为与在原子尺度上的固体-流体界面性质有很大关联。该研究以题为“Massive radius-dependentflow slippage in carbon nanotubes”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

2.Nature:低维受限空间内的方形冰晶

曼彻斯特大学A. K. Geim教授、德国乌尔姆大学G.Algara-Siller教授和中国科技大学H. A.Wu教授课题组联合发现室温下水在二维疏水石墨烯片层之间形成了正方形的冰晶,这种冰晶堆积密度较高,晶格常数为2.83Å,可形成双层和三层微晶,同时与传统的水分子间氢键形成的四面体结构相比,这种正方形的冰晶具有很好的对称性。该研究以题为“Square ice in graphenenanocapillaries”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

3.Nature:水分子在具有原子级精度的二维纳米通道中的异常快速传输

英国曼彻斯特大学Andre Geim教授及其合作者利用石墨烯的原子平整度,通过微加工技术制备得到了具有原子级精度且大小可调的纳米通道,发现在这些通道内部水分子与通道壁较强的相互作用可以产生很大的分离压(1000 bar),使水分子在纳米通道以毛细效应传输时最大速度可以达到1 m/s。该研究以题为“Moleculartransport through capillaries made with atomic-scale precision”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

4.Nature:气体分子在二维纳米通道内的弹道传输

曼彻斯特大学Andre Geim教授团队研究发现当以具有原子级别高表面平整度的石墨烯或h-BN作为纳米通道的壁面时,气体分子在通道内部产生大量的镜面反射,大大提高分子在通道内部的传输速度,表现出明显的弹道传输机制(指当载流子的平均自由程远大于介质的尺度时,载流子在介质中的输运过程中几乎不受到散射)。该研究以题为“Ballistic moleculartransport through twodimensional channels”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

5.Nature:二维埃米通道内分子/离子传输对电流和压力的依赖性

英国曼彻斯特大学AndreGeim教授及其合作者发现埃米级二维通道内水分子/离子与通道壁材料之间的摩擦作用会大大地影响其传输动力学,而受到外部微弱的扰动(机械压力和电场力)后,传输性能会大幅度变化。研究发现发现水分子/离子与石墨烯通道壁之间的低摩擦性导致了体系电渗迁移率μ与电压呈二次关系,而与h-BN之间较大的摩擦系数导致了体系电渗迁移率μ与电压呈一次关系(线性关系)。该研究以题为“Molecularstreaming and its voltage control in ångström-scale channels”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

6.Science:离子通过埃米级二维通道的尺寸效应

英国曼彻斯特大学Andre Geim教授和K. Gopinadhan教授课题组联合研究了由石墨烯、h-BN和MoS2这三种二维材料构成的超强度约束埃米通道内部离子的传输行为,发现空间效应的作用导致二维通道内部壁上的表面电荷很少,当水合离子的直径大于二维通道的尺寸时仍然可以以较低的速度进行传输和渗透,同时这种效在相同直径的阴离子和阳离子之间有明显的不对称性。该研究以题为“Size effect in ion transportthrough angstrom-scale slits”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

7.Science:超低介电常数界面水

英国曼彻斯特大学Andre Geim教授和L. Fumagalli教授课题组联合首次通过实验证明了受限条件下界面水的介电常数远低于普通环境中水的介电常数(≈80)。研究者对由h-BN构建的尺度约为1nm的通道中的受限界面水进行了测量,发现纳米尺度下界面水的介电常数低至2左右,这种水与介质之间的表面相互作用导致的介电常数异常降低对于深层次地理解生物系统中的长期相互作用具有重要意义。该研究以题为“Anomalously low dielectricconstant of confined water”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

8.Nature:质子通过单原子厚度的晶体传输

英国曼彻斯特大学Andre Geim教授联合中国科技大学H. A. Wu教授团队发现热质子(质子是电子和原子之间的一种中间状态)在单层石墨烯和h-BN中具有较高渗透性,而对于较厚的晶体,如单层二硫化钼、双层石墨烯或多层hBN,则不能进行传输。同时研究者发现由于较低的电导率,单分子层h-BN显示出比单层石墨烯更高的质子渗透率。该研究以题为“Proton transport throughone-atom-thick crystals”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

9.Nature:电控制水在氧化石墨烯薄膜中的渗透性

英国曼彻斯特大学R. R. Nair教授课题组通过可控电击穿在微米级石墨烯氧化(GO)膜中制造了导电细丝,这些导电细丝周围会形成电场使GO膜中二维片层毛细血管中的水分子电离,从而阻碍水的运输。研究表明通过该方法可以实现对水渗透的精确控制——从超快渗透到完全堵塞,这为开发人工生物系统、组织工程和过滤的智能膜技术开辟了一条道路。该研究以题为“Electrically controlled water permeation through graphene oxide membranes”发表在《Nature》期刊上。

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原文链接:

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

 

10.Nature nanotechnology:石墨烯纳米流体通道中的快速水传输

美国波士顿大学Chuanhua Duan教授课题组设计了一种新的混合纳米通道来测量单个石墨烯纳米通道中水的传输阻力和滑移长度。研究结果表明当石墨烯纳米通道高度在0~200nm之间变化时,通道中石墨烯的滑移长度均≈16nm,而这是由于石墨烯的表面电荷性质以及石墨烯和其SiO2衬底之间的相互作用引起的。该研究以题为“Fast water transport ingraphene nanofluidic channels”发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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原文链接:

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

 

11.Nature Materials:纳米通道内离子库仑封锁观察

瑞士洛桑工程学院Aleksandra Radenovic教授研究团队对单个亚纳米孔通道中离子的传输进行了测量以及对离子库仑封锁效应进行了观察,实验结果符合离子库仑封锁模型中对离子在亚纳米通道内传输行为的预测,同时研究表明纳米尺度的原子细孔有助于探索离子传输行为,这可以进一步加深人们对生物离子通道运输的理解。该研究以题为“Observation of ionicCoulomb blockade in nanopores”发表在《Nature Materials》期刊上。

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原文链接:

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

 

【三.具有纳米通道的分离膜材料】

物质的分离与纯化在工业生产和人们的日产生活中扮演者重要的作用,其中分离膜材料是分离与纯化技术的核心材料。分离膜材料面临的最大问题是分离系数与渗透率之间的矛盾性关系,目前商业化分离膜为了保证较高的分离系数而大幅度牺牲了渗透率,因此导致了很低的纯化效率。而现有的研究表明由于纳米通道内部物质具有独特的传输行为,这可以避免渗透性和选择性之间的取舍——能够同时提高分离系数和渗透率,因而纳米通道在未来的高效分离膜制备领域显示出了极大的应用潜力。在此,我们选择了13篇研究文献来对纳米流体学在分离领域的应用做简要介绍。

1.Science:寡层多孔石墨烯高效气体分离膜

瑞士苏黎世理工学院Hyung Gyu Park教授研究团队发现气体在寡层多孔石墨烯膜中以自由分子(溢出)机制进行传输,显著减小气体分子与通道壁之间摩擦碰撞来提高气体渗透速度的同时,还可以利用分子间的分子量差异来对气体分子进行高效的选择性渗透,测试结果显示H2的渗透率和H2/CO2分离系数分别可以达到10-2 mol m-2s-1 Pa-1和10,综合性能远超多孔聚合物和无机气体分离膜。该研究以题为“Ultimate PermeationAcross Atomically Thin Porous Graphene”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

2.Science:石墨烯/h-BN膜分离氢同位素

英国曼彻斯特大学A. K. Geim教授联合M. Lozada-Hidalgo教授研究团队对H+和D+在寡层石墨烯或h-BN膜中传输行为进行了研究,发现无论是在石墨烯还是h-BN膜中,H+的传输速度(σH)均远大于D+的传输速度(σD)[σH/σD≈10],而造成H+和D+在二维材料中出现这种传输速度差异地原因是H+和D+零点能量的不同——D+离子透过膜需要克服更高的能垒,因此二维材料作为节能的分离膜材料在氢同位素浓缩领域有较大的应用潜力,有望取代目前高耗能的电解-蒸馏法。该研究以题为“Sieving hydrogen isotopes throughtwo-dimensional crystals”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

3.Science:精确高效氧化石墨烯分离膜

英国曼彻斯特大学A. K. Geim教授联合R. R. Nair教授团队研究了小分子在微米级氧化石墨烯(GO)膜中的渗透行为,发现在干燥状态下由于二维片层之间的真空密封作用,小分子不能进行渗透;而浸泡在水中的GO膜可以像分子筛一样对水合半径大于4.5Å的分子进行阻隔,而小于该尺寸的分子可以在GO片层间较高的毛细管压力下以较快的速度进行渗透传输。该研究以题为“Precise and UltrafastMolecular Sieving Through Graphene Oxide Membranes”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

4.Science:提高碳纳米管亚纳米孔的透水性和离子选择可调性

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Aleksandr Noy教授研究团队制备了一种直径为0.8nm的碳纳米管孔蛋白(CNTPs),由于有较强的空间限制,水分子在CNTPs内部传输时分子间氢键会发生重排使水分子以单链状进行渗透,其传输效率比生物体中水通道蛋白还高一个数量级,同时CNTPs还可以阻碍负离子的渗透,因此对物质的传输具有很高的选择性。这些特性使CNTPs成为发展膜分离技术的理想材料。该研究以题为“Enhanced waterpermeability and tunable ion selectivity in subnanometer carbon nanotube porins”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

5.Science:用于离子和分子分离的石墨烯/碳纳米管复合纳滤膜

武汉大学Quan Yuan教授团队联合加州大学洛杉矶分校Xiangfeng Duan教授团队开发了一种具有优异机械强度的石墨烯/碳纳米管(GNM/SWNT)复合纳滤膜。在GNM/SWNT复合纳滤膜中,有高密度亚纳米孔的GNM可以有效地运输水分子,同时阻止溶质离子或分子的流动,实现尺寸选择性分离,而SWNT网络结构则充当支持GNM的微观物理框架,从而确保了原子厚度的GNM的结构完整性。该研究以题为“Large-area graphene-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecularnanofiltration”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

6.Science:用于离子和分子分离的石墨烯/碳纳米管复合纳滤膜

南卡罗莱纳州立大学Miao Yu课题组通过简易的过滤工艺制备了厚度约为1.8nm的超薄氧化石墨烯(GO)膜,利用GO膜上的选择性结构缺陷,GO膜对H2/CO2和H2/N2混合物的分离选择性分别高达3400和900,比目前最先进的微孔膜高一到两个数量级,因此是一种理想的富氢分离膜材料。该研究以题为“Ultrathin,Molecular-Sieving Graphene Oxide Membranes for Selective Hydrogen Separation”发表在《Science》期刊上。

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原文链接:

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

 

7.Nature:阳离子插层调节氧化石墨烯分离膜选择性

上海应用物理研究所研究院方海平、李景烨以及上海大学吴明红团队、南京工业大学金万勤团队等联合研究发现氧化石墨烯(GO)中含氧基团和芳环共存的区域易与离子形成强的相互作用而使离子插层固定在该位点上,可以实现精度达到1 Å的层间距稳定调控,从而实现了对各种离子的高效阻隔和对水的快速选择性渗透。该研究以题为“Ion sieving in grapheneoxide membranes via cationic control of interlayer spacing”的论文发表在《Nature》期刊上。

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

 

8.Nature Nanotechnology:用于海水淡化的单层纳米孔石墨烯膜

美国橡树岭国家实验室Shannon M. Mahurin教授研究团队利用氧等离子体蚀刻工艺制备了具有化学和机械稳定性的单原子厚度纳米孔石墨烯膜,这种多孔石墨烯膜具有优异的水渗透速度(106g m-2s-1)和高效的离子截留率(接近100%),在海水淡化领域显示出了巨大的应用潜力。该研究以题为“Water desalination usingnanoporous single-layer graphene”的论文发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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原文链接:

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

 

9.Nature Nanotechnology:多层石墨烯基纳米孔膜中离子扩散的低压静电调制

澳大利亚墨尔本大学Dan Li教授课题组研究团队利用层状石墨烯基纳米孔膜中的可调纳米约束通道,证明了<2 nm的约束离子扩散可以被界面电双层(EDL)强烈调控。研究表明随着工程技术的进步和原子精确纳米孔、通道和电路的规模化生产,与尺寸缩小相关的离子传输的场效应控制很可能使逻辑和信号传输设备和设备成为可能。该研究以题为“Low-voltageelectrostatic modulation of ion diffusion through layered graphene-based nanoporousmembranes”的论文发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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原文链接:

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

 

10.Nature Nanotechnology:离子选择性可调的氧化石墨烯膜

英国曼彻斯特大学Rahul R. Nair教授研究团队将氧化石墨烯(GO)膜封装在环氧树脂中来控制GO膜的层间距(离子通道尺寸)。结果显示当层间距<10Å时,形成的亚纳米通道尺寸小于离子的水合半径,离子的渗透率被大幅度抑制而水的渗透率则未受到明显的影响,因此在海水淡化领域具有极大的应用潜力。该研究以题为“Tunable sieving of ionsusing graphene oxide membranes”的论文发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

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原文链接:

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

 

11.Nature Materials:疏水基团提升MoS2膜分离稳定性

法国蒙彼利埃第一大学Damien Voiry教授课题组联合中国香港理工大学Nicolas Onofrio教授课题组采用疏水基团改性的策略来提高MoS2薄膜的层间距和在水中的稳定性,显示出对离子和有机小分子较高的抑制率的同时还有很高的水渗透率,研究结果表明疏水基团可以增加和稳定二维通道尺寸,以及减弱水与MoS2基体的相互作用,增加水在纳米通道内的滑移长度和传输速度。该研究以题为“Enhanced sieving fromexfoliated MoS2 membranes via covalent functionalization”的论文发表在《Nature Materials》期刊上

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原文链接:

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

 

12.Nature Materials:用于有机溶剂纳滤的氧化石墨烯膜

英国曼彻斯特大学R R Nair教授联合Yang Su教授研究团队将尺寸介于10-20 um之间的大片层GO组装成超薄(8 nm)层状GO膜(HLGO),研究了各种溶剂在HLGO中的传输行为以及对不同分子量物质的分离/截留性能。这项研究表明不同厚度的GO膜中存在不同的溶剂传输路径,通过改变通道结构和传输机制,有机溶剂也可以在多层GO膜中有很高的渗透率和优异的分子截留性能,这在需要溶剂纳滤的制药和石化等领域具有重要的应用潜力和价值。该研究以题为“Ultrathin graphene-basedmembrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation”的论文发表在《Nature Materials》期刊上。

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

 

13.Nature Nanotechnology:人造“细胞膜”,水/NaCl选择性超过109

宾夕法尼亚州立大学Manish Kumar、RatulChowdhury教授团队联合伊利诺伊大学Aleksei Aksimentiev教授团队通过合成制备得到了具有三维连通结构的单分子分离孔道,将其与双层磷脂复合后制备的反渗透分离膜显出了类似于水通道蛋白的超高水传输和离子选择性能,单个通道在1秒钟之内可以传输(3.7±0.3)×109个H2O分子,H2O/NaCl分离系数可达109。而这是通过通道内部对水分子聚集态结构的改变以及对离子的尺寸效应综合引起的,这为高效海水淡化膜的设计提供了新的思路。这项研究以题为“Artificialwater channels enable fast and selective water permeation through water-wirenetworks”的论文发表在《Nature Nanotechnology》期刊上

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原文链接:

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

 

【四.纳米流体学对水-能源技术的影响】

纳米流体学对水-能源技术的影响主要可以分为两部分,第一是利用纳米通道内的特殊传输行为对海水进行高效淡化,这一部分在第【三】节中已经做了详细介绍;另一部分是利用离子在纳米通道内的高效选择性传输以及具有浓度差的海水-淡水来进行发电,也即渗透能-电能之间的高效转换。这里我们选择了三篇研究文献来对纳米流体学在水-能源技术的应用做简要介绍。

1.Nature 单层纳米孔MoS2膜实现巨大的渗透能-电能转换

瑞士洛桑联邦理工学院Aleksandra Radenovic教授课题组制备了具有不同孔径大小的单层MoS2多孔膜,由于Mo原子的亲水性以及孔表面的负电荷属性,在具有浓度差的双KCl溶液槽中,水/K+在单层多孔MoS2分离膜中有较大的传输速度和选择性,渗透能-电能转换功率密度最大可达106 W m−2,比传统交换膜反电渗析法获得的功率密度高100万倍,以题为“Single-layer MoS2 nanopores as nanopower”发表在《Nature》杂志上。

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原文链接:

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

 

2.Nature:单跨膜BN纳米管中的渗透能-电能转换

法国里昂大学Lyde’ric Bocquet教授课题组研究发现与流体(电解质)接触的BN纳米管内壁含有大量的负电荷,有助于离子的快速选择性传输;当BN纳米管处于两个具有浓度差的电解质溶液槽之间时能实现较大的渗透能-电能转换,通过优化管径和溶液的pH值,最大转换功率密度能够达到4 kW m-2。该研究以题为“Giant osmotic energy conversion measuredin a single transmembrane boron nitride nanotube”的论文发表在《Nature》杂志上。

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原文链接:

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

 

3. Nature Nanotechnology:合成法制备用于渗透能转换的纳米多孔膜

荷兰莱顿大学Grégory F. Schneider教授联合德国乌尔姆大学Ute Kaiser教授团队联合利用具有核-边结构的多环芳烃HPAHBC单体分子,经过压力驱动组装-高温热解交联的方式制备得到了孔径为3.6±1.8nm,厚度为2.0±0.5nm的碳膜。碳膜孔上较多的-COO-使膜孔呈负电性,在较高浓度差的电解质溶液中间作为隔膜时,对离子具有较高选择性,因此显示出优异的渗透能转换性能,输出功率最高可达67 W m−2。该研究以题为“Powergeneration by reverse electrodialysis in a single-layer nanoporous membranemade from core–rim polycyclic aromatic hydrocarbons”的论文发表在《Nature Nanotechnology》杂志上。

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原文链接:

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

 

【总结:纳米流体学未来的挑战】

纳米流体学是一个蓬勃发展的领域,它研究的不仅是物理学和化学中的许多基本问题,同时也时刻保持对水、能源等有关于人类发展问题的关注。然而,正如“一个人知道的越多,就越感觉自己懂的太少”这句名言指出的一样,虽然近年来纳米流体学取得了较多的研究成果,但是在很多方面还都是空白。因此Lydéric Bocquet教授指出纳米流体学在未来将面临4大挑战:

(1) 如何在研究中将各个学科有机的融合在一起。纳米流体学是一个跨学科研究领域,如流体动力学、凝聚态物质、统计物理、化学、材料科学、生理学、生物学等,在研究中应该将这些学科聚集在一起,结合不同的观点,才能推动该领域向前发展;

(2)超越“简单的纳米流体学装置设计”的研究方式。精细的纳米通道是纳米流体学研究中的核心器件,如何充分利用纳米流体学原理来设计结构复杂甚至具有“活性”的纳米通道以及提出新的分离原理在未来很长一段时间仍是纳米流体学重点的研究目标;

(3) 在纳米尺度上观察事物的运作。目前,人类在纳米流体学上还存在较多的知识盲区,人们需要开发新的表征仪器和技术来进一步观察纳米尺度上事物的具体运作方式和原理;

(4) 纳米流体学在通信领域的应用。尽管离子的传输速度很慢,但它们比电子有很多的优势,比如离子有气味和颜色(不同的价态、大小、极化率等等导致),人们是否可以利用这些补充信号来设计更高效的信息处理器?

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