混合维度纳米流体异质膜结构中的非对称离子输运

通过模仿贝壳的层状结构,人们利用二维纳米材料的自组装构筑了具有亚纳米尺度流体通道,及丰富表面化学特性的多层膜结构。从而将纳米流体输运特性的研究拓展到了一个全新平台,称为“2D Nanofluidics”。由基底支撑的二维多层膜(Supported 2D layered membrane) 是一种最常见的结构,因其可以同时具有较高的选择性,流体通量,和机械强度,因而在气体分离,水处理,及能量转换与存储等方面具有广泛的应用。传统观点认为,上层的二维多层膜作为活性层(active layer),负责实现气体或液体中物质的筛分。而下层包含有直通的或弯曲的一维纳米孔道的基底膜,则主要负责提供力学支撑,或者对于较大尺寸颗粒的预过滤。然而,这种混合维度纳米流体异质膜结构能够引发一系列非对称的离子传输性质,成为一项长期被人们忽略,却又非常重要的特性。根据过去在一维纳米孔道研究中获得的经验规律(Acc. Chem. Res. 2013, 46, 2834),通道结构和环境因素中对称性因素的破缺,最终会引发通道输运特性的非对称,例如出现单向导通的整流特性(ionic rectification),和净的扩散电流(net diffusion current)。因此,上下层膜通道之间这种不同维度的异质特性,成为一种新的非对称因素。她将为未来纳米流体器件和材料提供新的功能和提升性能。

最近,由中科院理化所郭维研究员领导的研究团队,首次揭示了由基底支撑的氧化石墨烯多层膜结构中的非对称离子输运特性。这种一维/二维复合维度纳米流体异质膜上层为氧化石墨烯二维多层膜(2DM),下层为由聚多巴胺包裹的一维纳米孔道阵列(1DM)。在电场驱动下,跨膜的离子传输显示出明显的非对称特性,优势输运方向为由2DM指向1DM。有趣的是,当使用盐溶液中的离子浓度梯度或者外加机械压力来驱使电解质流体穿过该一维/二维复合膜,优势的离子输运方向转变为由1DM指向2DM。文章的作者们建立了基于Poisson-Nernst-Planck (PNP) and Navier-Stokes (NS) 方程的数值模型来解释这种由混合维度诱导的非对称离子输运特性。由于二维通道的宽度只有大概1 nm,而一维通道的宽度可以达到几十nm,因而复合膜通道的选择性主要是由二维通道膜决定的。在二维通道膜的一端附加了一段一维直通孔道,引起了二维通道膜两侧不对称的局域离子浓度极化(local ion concentration polarization),从而导致非对称的离子传输特性。另外,由离子浓度梯度和机械压力驱动的扩散电流和动电流,依赖于通道膜的离子选择性而产生,因而它们的优势输运方向与不依赖于选择性的电压驱动的离子电流是不同的。

该项研究工作揭示了维度异质(mixed dimension)这一长期以来被忽视的非对称因素在纳米流体输运中所扮演的角色,并且提供了一种通用,且简单易行的方式对人工体系中的非对称输运特性进行调控。相关工作发表在Advanced Materials Technologies (DOI:10.1002/admt.201800742)上。

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