多虧了石墨烯，原子毛細管可以阻擋最小的鈉離子！

多虧了石墨烯，原子毛細管可以阻擋最小的鈉離子！

英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所的研究人員首次成功地創(chuàng)造了只有一個原子大小的人工通道。新的毛細血管與天然蛋白質通道非常相似，如水通道蛋白，它們小到足以阻止最小離子的流動，如SODI。這種結構不僅提高了我們對原子尺度下分子輸運的基本認識，特別是在生物系統中，而且在海水淡化和過濾技術中有著理想的應用前景。研究小組組長安德烈·海姆爵士解釋說，很明顯，這是一種分子輸運過程。可以使毛細血管比原子小，即使事后看來，我們的壯舉也幾乎是不可能的。

博科公園——科普：就在幾年前，很難想象有這么小的毛細血管，自然形成的蛋白質通道，如水通道，可以讓水迅速滲透。然而，由于空間排斥（尺寸）和靜電排斥，超過7A尺寸的水合離子受到阻礙。研究人員一直試圖使人造毛細血管像天然毛細血管一樣工作，但盡管在納米孔和納米管的制造方面取得了相當大的進展，但所有這些結構到目前為止都要大得多。Geim和他的同事們已經建立了一個大約3.4 A高的通道，這個通道大約是最小水合離子（如K+和Cl-）的一半大小，直徑為6.6a。這些通道就像蛋白質通道一樣。它們小到足以阻擋這些離子，但大到足以讓水分子（直徑約2.8a）自由通過。

重要的是，這種結構有助于開發(fā)低成本、高通量的脫鹽過濾器和相關技術，這是該領域研究人員的圣杯。研究人員在《科學》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現，使用范德華斯組裝技術來創(chuàng)建這種結構，也稱為原子樂高，這是石墨烯研究的成果。從大石墨塊中分離出厚度僅為50和200納米的原子平面納米晶體，然后在這些納米晶體的表面放置單層石墨烯片。當隨后在兩個晶體之間放置類似的原子平面晶體時，這些帶就起到了間隔的作用。由此產生的三層組裝可以看作是一對邊緣位錯，它們連接到中間平面的空隙中，只能容納一層原子水。這是第一次使用石墨烯單層。作為間隔層，這也是新通道與以前任何結構不同的原因。

曼徹斯特大學的科學家們設計的二維毛細管寬130納米，長幾微米。它被組裝在一層氮化硅薄膜上，將兩個獨立的容器分開，以確保通道是水和離子流動的唯一通道。到目前為止，研究人員只能測量流過毛細血管的水的t值要厚得多（約6.7英尺高）。雖然他們的一些分子動力學模擬表明，較小的二維空腔會由于范德華重力而坍塌，但其他計算表明，裂縫中的水分子實際上可以起到支撐作用，以防止單原子的高密度。曼徹斯特研究小組在實驗中發(fā)現了坍塌產生的裂縫（只有3.4英尺高），一種稱為重力測量的技術被用來測量渠道的透水性。

在這里，一個密封的小容器中的水通過毛細血管完全蒸發(fā)，然后我們精確地（以微克的精度）測量容器在幾個小時內損失了多少重量。為了實現這一點，研究人員還建立了大量的通道（超過100個），以提高測量的靈敏度。更厚的頂部哭泣。斯大爾斯也被用來防止下垂和切斷毛細血管的頂部開口（使用等離子蝕刻），以消除任何潛在的堵塞，這是通過薄邊緣存在的。為了測量離子電流，施加電場迫使離子通過毛細血管，然后測量產生的電流。如果我們的毛細血管RIES高達兩個原子，我們發(fā)現小的離子可以在毛細管中自由移動，就像在大的水中一樣。相反，沒有離子能通過我們最后的原子路徑。

唯一的例外是質子，它被認為是真正的在水中運動的亞原子粒子，而不是包裹在直徑為幾埃的相對較大的水合物殼中的離子。因此，通道阻塞所有水合物離子，但允許質子通過。因為這些毛細血管的行為方式與蛋白質通道相同，它們對于更好地理解水和離子在分子尺度上的行為非常重要，就像它們在E尺度生物過濾器中一樣。研究工作（包括當前和以前的工作）表明，原子約束水的性質與散裝水有很大的不同。例如，它變得非常等級化，具有不同的結構，表現出完全不同的介電性能。

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