一篇玩水的Nature：诺奖得主A. K. Geim分子限域流动新突破！

纳米人

2019-03-09

第一作者：T. Mouterde, A. Keerthi

通讯作者：A. K. Geim、L. Bocquet、B. Radha

通讯单位：法国巴黎高等师范学院、英国曼彻斯特大学

研究亮点：

1. 揭示了分子尺度限域下，一种类似于晶体管的电流体力学效应。

2. 研究了不同材料门控效应的差异性原因。

流体限域流动

近十年来，通过纳米管和纳米孔等纳米尺度通道将流体限制在纳米尺度，出现了许多新奇的水和离子运输现象。随者二维纳米材料的范德华组装技术不断发展，研究人员可以成功创造具有埃级精度的人造通道，将流体限域从纳米尺度延伸至分子尺度，不再满足流体连续性方程的适用条件。

分子尺度下的水膜可以重构成介电常数明显下降的单层/双层结构，或是形成室温冰相。在这种限域通道内，离子运动受到通道壁与离子水化层之间相互作用的影响，且水的运输也强烈依赖于通道壁材料。

成果简介

为了研究这种限域条件下水和离子运输是如何耦合的，法国巴黎高等师范学院L. Bocquet团队和英国曼彻斯特大学A. K. Geim（石墨烯发现者之一）团队、B. Radha团队联合，对分子尺寸狭缝状通道中的离子液体运输进行了测量。

图1. 压力、电压驱动电流的实验装置

要点1：门控效应

研究表明，分子尺度下流体运输是由压力和外加电场驱动，表现出一种类似于晶体管的电流体力学效应。较小的偏压（ΔV ≈ 75 mV）即可将压力驱动的离子运输提高20倍（通过电渗迁移率表征）。

要点2：门控效应在不同材料中的差异性

这种门控效应在石墨和六方BN中均可观测到，但因材料不同存在显著的差异性。为了解释这种差异性，作者采用改进的连续性框架，对材料依赖的水分子，离子，以及限域表面之间的摩擦作用进行了解释和详细描述。

图2. 不同偏压和通道材料下的净电流

小结

总之，分子尺度限域下对流体运输的高度非线性门控可为控制分子、离子运输提供新路径，同时为探索可能在最近发现的机械敏感性离子通道中起着关键作用的机电耦合提供了新方法。

参考文献：

Mouterde T, Keerthi A, Poggioli A R, etal. Molecular streaming and its voltage control in ångström-scale channels.Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-0961-5

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