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西南AG8亚游合作研究成果再次登上Science

2019年01月17日 來源: 本站 關鍵詞: 閱讀:

2019年1月11日,國際頂級學術期刊Science在線發表了西南交通大學與曼徹斯特大學合作研究成果“Complete steric exclusion of ions and proton transport through confined monolayer water”(狹窄單層水通道中質子傳輸與全尺寸離子位阻效應)。該成果由諾貝爾物理學獎獲得者、我校榮譽教授、曼徹斯特大學教授Sir Andre Geim引領,我校材料科學與工程學院(材料先進技術教育部重點實驗室)楊倩博士參與共同完成。這是楊倩博士參與工作發表的第三篇Science文章。

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生物薄膜允許水分子暢行無阻地通過,但能夠有效阻擋包括K+和Na+在內的非常小的離子,隱藏在這種精確分離性能背後的是具有埃級別的精細限域結構。盡管近年來關於納米或亞納米級別孔或通道的報道層出不窮,包括碳納米管或氮化硼納米管、氧化石墨烯薄膜層間通道、單層石墨烯或MoS2上的納米級別孔洞等。這些通道都能在一定程度上除去特定離子,比如尺寸較大的離子或電負性的離子,但都並不能真正達到生物蛋白通道所具有的對離子的完全位阻效應。而除掉水中諸如Cl-、K+和Na+等小離子在海水淡化領域至關重要,也將有助於增強AG8亚游對生物細胞中分子傳輸過程的理解。

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該工作基於石墨烯獨特結構,發展了一種單原子級別二維限域通道,可以實現單層水分子的選擇性通過,而通過尺寸位阻效應分離排除了除質子之外的所有其他離子。該工作在前期範德華組裝技術基礎上,通過將采用機械剝離法得到的二維材料通過層層堆積的方式進行組裝,得到了高度僅為0.34 nm的傳輸通道。這種通道相當於從三維材料中抽取一個單原子層後保留下來的二維通道,具有原子級別的高度和光滑的表麵。由於最小的水合離子,譬如K+和Cl-,直徑約為0.66 nm,而水分子的有效直徑約為0.28 nm,因此這種獨特的孔道結構可以保證單層水分子選擇性通過,而其它所有的離子都被拒之門外。

此前的工作(Science,2017, 358, 511-513)曾報道了兩個原子層厚度的類似通道,通道高度約為6.7埃;在這種通道中水合離子可以通過擠壓或脫掉水合層的方式進入通道進行傳輸。而此次最新建立的單原子層高度通道則能夠完全阻隔任何水合離子的傳輸,從而加深AG8亚游對原子級別空間內分子傳輸過程的理解,甚至有助於推進仿生方向的發展,而這也是這篇文章的重大進展所在。

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