分子分離在現(xiàn)代技術(shù)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，從海水淡化到關(guān)鍵材料的收集，再到高價(jià)值化學(xué)品和藥品的制造。納米流體通道對(duì)水和離子施加了極端的限制，從而產(chǎn)生了異常的傳輸現(xiàn)象，這種現(xiàn)象強(qiáng)烈依賴(lài)于通道-壁界面的相互作用。然而，納米流體通道的電子特性如何影響傳輸效率在很大程度上仍未得到探索。

       勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員測(cè)量了通過(guò)亞1納米金屬和半導(dǎo)體碳納米管孔內(nèi)孔的傳輸。發(fā)現(xiàn)與半導(dǎo)體納米管相比，金屬納米管中的水和質(zhì)子傳輸?shù)玫皆鰪?qiáng)，而離子傳輸對(duì)納米管帶隙值基本不敏感。使用可極化力場(chǎng)的分子模擬突出了碳納米管的各向異性極化率張量對(duì)離子-納米管相互作用和水摩擦系數(shù)的貢獻(xiàn)。研究人員還使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子動(dòng)力學(xué)模擬描述了金屬納米管中質(zhì)子傳輸增強(qiáng)的起源。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了納米流體通道的電子特性在極端納米級(jí)限制下調(diào)節(jié)傳輸?shù)膹?fù)雜作用。

       相關(guān)研究成果以“Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins”為題發(fā)表于《Nature Materials》。

       / 研究亮點(diǎn) /

       研究表明，與半導(dǎo)體納米管相比，金屬納米管中的水和質(zhì)子傳輸均顯著增強(qiáng)。這種增強(qiáng)歸因于納米管的電子特性，特別是其金屬性質(zhì)，這會(huì)影響與傳輸分子的相互作用。

       離子傳輸獨(dú)立性：與水和質(zhì)子傳輸不同，離子傳輸效率基本不受 CNTP 的電子特性（金屬或半導(dǎo)體性質(zhì)）的影響。這一發(fā)現(xiàn)令人驚訝，與文獻(xiàn)中先前的假設(shè)和預(yù)測(cè)形成了鮮明對(duì)比。

       CNT 直徑的影響可忽略不計(jì)：CNT 直徑的細(xì)微變化不會(huì)顯著影響水的傳輸效率。這表明納米管壁的電子特性對(duì)水的傳輸?shù)挠绊懕燃{米管的物理尺寸更大。

       首次使用純種CNTP：這項(xiàng)研究利用了純種的 CNTP，即具有明確電子特性和直徑的超短 CNT 片段。這種方法可以精確評(píng)估傳輸特性及其與納米管電子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

       該研究采用了可極化力場(chǎng)的分子模擬和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分子動(dòng)力學(xué)模擬。這些模擬突出了碳納米管各向異性極化率張量對(duì)離子-納米管相互作用和水摩擦系數(shù)的貢獻(xiàn)，從而加深了對(duì)傳輸現(xiàn)象的理解。

       該研究結(jié)果為設(shè)計(jì)具有優(yōu)化傳輸效率的納米流體通道和膜平臺(tái)開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。金屬 CNTP 增強(qiáng)的傳輸特性可用于開(kāi)發(fā)更高效的分離技術(shù)，這對(duì)于水凈化、材料收集和化學(xué)制造等應(yīng)用至關(guān)重要。

       / 圖文導(dǎo)讀 /

圖1. 物種純CNTPs中的離子傳輸

圖2. 手性純碳納米管中的水輸運(yùn)

圖3. 手性純CNTPs中的質(zhì)子輸運(yùn)。

圖4. 單個(gè)手性純CNTPs中的質(zhì)子輸運(yùn)

       / 總結(jié) /

       本研究結(jié)果揭示了碳納米管（CNT）電子特性對(duì)其納米流體通道傳輸效率的復(fù)雜貢獻(xiàn)，其中離子、水分子和質(zhì)子與通道壁的復(fù)雜極化相互作用顯著影響了測(cè)量的傳輸特性。研究報(bào)告，金屬碳納米管中的水和質(zhì)子傳輸在相似直徑的半導(dǎo)體碳納米管中始終得到增強(qiáng)，而離子傳輸效率基本不受影響。令人驚訝的是，碳納米管直徑的微小變化也不會(huì)顯著影響水的傳輸效率。這些結(jié)果為設(shè)計(jì)具有優(yōu)化傳輸效率的納米流體通道和新型膜平臺(tái)開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。

       原文信息：Li, Y., Li, Z., Misra, R.P. et al. Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins. Nat. Mater. 23, 1123–1130 (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01925-w