具有離子選擇性的人工納米通道廣泛應(yīng)用于海水淡化、離子篩分和納米流體器件等研究中，近年來已成為納米通道領(lǐng)域的國際研究前沿之一。由于不同應(yīng)用情形需要具有不同離子篩分能力的納米通道器件，因此長期以來研究人員都需根據(jù)特定要求制備相應(yīng)的離子選擇性通道，需要消耗大量的時間與資源，且受到實驗技術(shù)的限制。雖然已有工作報道了某些具有可調(diào)離子選擇性的納米通道，但它們實際上是有著不同結(jié)構(gòu)而性能固定的數(shù)個器件，因此真正具有可調(diào)離子選擇性納米通道的研究與制備仍然稀缺。
針對上述挑戰(zhàn)，北京大學物理學院重離子物理研究所、核物理與核技術(shù)國家重點實驗室薛建明教授課題組與中國科學院近代物理研究所杜廣華研究員合作，利用離子束輻照成功制備了高品質(zhì)石墨烯亞納米孔，進一步設(shè)計并制備了一個多功能石墨烯異質(zhì)納米通道，由石墨烯亞納米孔與錐形聚對苯二甲酸乙二醇酯納米通道構(gòu)成（圖1）。該通道在不同外加電壓下展現(xiàn)出了不同的離子選擇性，不僅具有作為高效一/二價離子篩分設(shè)備的潛力，還有望成為優(yōu)異的仿生離子通道與陽離子價態(tài)敏感的納米流體二極管（圖2）。該石墨烯異質(zhì)納米通道的離子選擇性起源于帶負電的石墨烯亞納米孔，進一步結(jié)合計算模擬發(fā)現(xiàn)其等效電荷密度會受到通道內(nèi)部電壓依賴的離子富集/耗盡效應(yīng)的影響。該通道對一價和二價離子相反的整流效應(yīng)則是由離子濃度梯度不同導致的擴散電流差異所引起的。前述工作為構(gòu)建類似的具有可調(diào)離子選擇性的多功能異質(zhì)納米通道提供了新思路，開辟了這一新興的研究領(lǐng)域，有望快速滿足實際應(yīng)用中復(fù)雜多變情形的不同需求。
圖1. 石墨烯異質(zhì)納米通道結(jié)構(gòu)示意與石墨烯亞納米孔掃描透射電子顯微鏡圖像。
圖2. 石墨烯異質(zhì)納米通道具有的電壓可調(diào)離子選擇性。
2022年8月19日，相關(guān)研究成果以《具有電壓可調(diào)離子選擇性的多功能石墨烯異質(zhì)納米通道”（
Multifunctional graphene heterogeneousnanochannel with voltage-tunable ionselectivity）為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。北京大學物理學院2018級博士研究生蘇士皓、2017級博士研究生張一凡為共同第一作者；薛建明、杜廣華為共同通訊作者；其他合作者還包括中國科學院近代物理研究所姚會軍研究員等。
上述研究工作得到了國家自然科學基金、科學挑戰(zhàn)專題、中國科學院近代物理研究所、北京大學電子顯微鏡實驗室和北京大學高性能計算平臺等支持。
轉(zhuǎn)自《北京大學》
