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模拟表明石墨烯可以拉伸成可调谐离子过滤器

2019-03-15 15:29:40来源:

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员进行了模拟研究,表明石墨烯除了具有许多其他有用的特性外,还可以通过特殊的孔隙进行修饰,作为可调谐的过滤器或过滤器用于离子(带电原子)。液体。

该概念也可以与其他膜材料一起使用,可以具有诸如纳米级机械传感器,药物递送,水净化和用于类似于生物离子通道的离子混合物的筛或泵的应用,其对于活细胞的功能是关键的。这项研究发表在11月26日出版的“ 自然材料 ” 杂志上。

项目负责人亚历克斯斯莫利亚尼茨基说:“想象一下,像一个细网状厨房过滤器,糖流过它。” “你以这样的方式拉伸过滤器,使得网格中的每个洞都变大1-2%。你可以预期通过网格的流量将增加大约相同的数量。嗯,这里实际上增加了1,000%。我觉得这很酷,有很多应用程序。“

如果可以通过实验实现,这种石墨烯筛将是第一个在拉伸时提供离子流指数增加的人工离子通道,为快速离子分离或泵或精确盐度控制提供了可能性。Smolyanitsky说,合作者计划对这些系统进行实验室研究。

石墨烯是一层排列成六边形的碳原子,形状与鸡丝相似,可导电。NIST的分子动力学模拟主要集中在尺寸为5.5×6.4纳米(nm)的石墨烯片上,并具有衬有氧原子的小孔。这些孔是冠醚 - 已知能捕获金属离子的电中性环状分子。先前的NIST模拟研究表明,这种类型的石墨烯膜可用于纳米流体计算。

在模拟中,石墨烯悬浮在含有氯化钾的水中,氯化钾是一种分解成钾离子和氯离子的盐。冠醚孔可以捕获具有正电荷的钾离子。捕获和释放速率可以电控制。施加各种强度的电场以驱动流过膜的离子电流。

然后研究人员用不同程度的力量模拟拖曳膜,以拉伸和扩张毛孔,大大增加钾离子通过膜的流动。向各个方向伸展的效果最大,但即使只朝一个方向拉动也会产生局部效果。

研究人员发现,离子流量的意外大幅增加是由于许多因素的微妙相互作用,包括石墨烯的薄度; 离子与周围液体的相互作用; 和离子 - 孔隙相互作用,当孔隙略微拉伸时会减弱。Smolyanitsky说,离子与周围环境之间存在非常敏感的平衡。