Nature Nanotech.: 一个百年经典理论的失效！
纳米人
2023-01-03
研究背景：
100多年来，Nernst-Einstein（能斯特-爱因斯坦）关系作为凝聚态中离子输运的基础理论，建立了带电粒子扩散系数和电迁移率之间的普遍联系。Nernst-Einstein关系被广泛使用，如离子输运的Poisson-Nernst-Planck方程和细胞膜电势平衡的Goldman方程中都利用了这一关系，且其有效性很少受到质疑，但其在纳米甚至亚纳米尺度下是否成立仍有待验证。
研究成果：
美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室Aleksandr Noy课题组及合作者，发现了Nernst-Einstein关系在直径0.8 nm的仿生碳纳米管内不再成立，与理论偏离超过3个数量级。论文以《Breakdown of the Nernst–Einstein relation in carbon nanotube porins》题发表在Nature Nanotechnology上，并且Nature Nanotechnology同时发布了关于这篇文章的新闻评论《When ions break the law》。论文第一作者为李忠武博士，毕业于东南大学，Aleksandr Noy课题组访问学者，现单位为中国矿业大学机电工程学院。
研究思路与结果讨论：
文章通过纳米流体实验分别单独测量了K+（钾）离子通过直径0.8 nm仿生碳纳米管输运的扩散系数和电迁移率，发现Nernst-Einstein关系与理论偏离超过3个数量级。基于可极化力场的分子动力学模拟表明，在仿生碳纳米管内，水分子呈单链排布，此时离子沿单排水链扩散十分缓慢，扩散系数与体态值相比至少低3个数量级。然而，在外加电场作用下，离子通过碳纳米管时，单排水链发生断裂，形成离子-水分子团簇并以明显较快的速度运动，离子迁移率与体态值相当。而对于离子-水分子团簇本身，Nernst-Einstein关系依然成立。因此，在直径0.8 nm的仿生碳纳米管内，浓度梯度驱动的离子扩散与电场驱动的离子迁移存在两种不同的输运模式，导致Nernst-Einstein关系的失效。
研究亮点：
1.文章首次验证了Nernst-Einstein关系在纳米通道内的有效性，指出离子在仿生碳纳米管内输运时，Nernst-Einstein关系失效超过3个数量级，揭示了亚纳米尺度离子扩散与迁移的不同机制。2.文章指出在碳纳米管流体输运的分子动力学模拟中，必须考虑可极化力场的影响，才能真实描述离子、水分子、碳原子间的相互作用，且对于纳米流体有限元模拟，需要重新考虑连续性理论方程的适用性。
研究小结：
文章发现了离子在仿生碳纳米管内和体态中输运的显著差异，揭示了离子运动的新模式和新机制，对纳米流体器件的设计具有指导作用，对仿生离子器件、膜分离科学、能量转化等应用具有重要意义。
参考文献：
官网文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01276-0
官网新闻评论：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01281-3
Li, Z., Misra, R.P., Li, Y. et al. Breakdown of the Nernst–Einstein relation in carbon nanotube porins. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01276-0
Kavokine, N. When ions break the law. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01281-3
