冯建东Sci. Adv.：石墨烯纳米孔中的非线性电流体动力离子输运

【研究背景】

在自然界中，由于原子排列的微小差异而产生的生物离子通道的多样性导致了丰富的离子功能，如电压激活、选择性输运和机械敏感传导。一方面，生物通道的持续结构分析为生物物理建模和基本见解提供了基础。另一方面，将人工纳米流体系统缩放到分子尺度已经揭示了大量有趣的电流体动力离子输运物理学原理。因此，合成系统已经开始从各方面模仿其天然对应物的基本作用。然而，实现诸如高选择性和环境敏感性等天然离子通道的性能仍然具有挑战性。二维材料中的纳米孔为探索该领域提供了一个独特且可控的平台，因为它们表现出显著的高水通量和显著的表面效应，如离子选择性和电荷各向异性的出现。因此，了解这种原子薄纳米孔系统如何在分子水平相互作用并控制离子传输具有极大的挑战。

【成果简介】

近日，浙江大学冯建东教授团队报导了具有非线性电流体动力学耦合的石墨烯纳米孔中实现了通过压力调控实现离子传输，实现了非线性的电流体动力学耦合。研究人员发现在压力作用下，离子导电性从非常低显著提高至204.5 %，这种实验结果中显著提高的离子导电性无法通过经典的分子流（molecular streaming）与电压驱动离子传输之间的耦合验证。理论计算表明这种石墨烯纳米孔的压力响应来自于石墨烯表面附近的离子聚集。本研究结果有助于增加纳米孔离子传输过程中的电流体动力学作用，为控制离子传输提供新机制。该论文以题为“Nonlinear electrohydrodynamic ion transport in graphene nanopores”发表在知名期刊Sci. Adv.上。

【图文导读】

图一、压力调节下的石墨烯纳米孔 © 2022 The Authors

（a）70 nm氮化硅（SiNx）孔附着石墨烯膜的TEM图像

（b）石墨烯膜的电子衍射图

（c）4 nm石墨烯纳米孔的球差校正TEM图像

（d）石墨烯纳米孔中压力集成离子输运的示意图

（e）在1 M KCl溶液中100 mV偏压下逐步压力下的离子电流时间轨迹

图二、机械敏感离子在石墨烯纳米孔中的迁移 © 2022 The Authors

（a）离子电流作为0和100 mV下施加压力的函数

（b）作为施加压力的函数测量的I-V曲线

（c）离子电导随着施加的压力而增加

（d）在-100和100 mV的不同压力下的流动电流时间轨迹

（e）流动电流作为0 mV时施加压力的函数

（f）离子电流作为100 mV时施加压力的函数

图三、不同离子环境的机械敏感电导 © 2022 The Authors

（a）7.1 nm石墨烯纳米孔器件#3在不同pH（pH = 3.0，5.5和8.9）条件下机械敏感电导变化率G_str/G₀ 

（b）7.5 nm石墨烯纳米孔器件#4在不同离子浓度（0.01，0.1和1 M KCl）下机械敏感电导变化率G_str/G₀

（c）机械敏感电导变化率与孔径尺寸（1.7-9.8 nm，器件#6）之间的关系

（d）7.2 nm石墨烯纳米孔器件#5在不同pH（pH = 3.0，5.5和8.9）条件下机械敏感电导变化率G_str/G₀

（e）7.2 nm石墨烯纳米孔器件#5在不同离子浓度（0.01，0.1和1 M KCl）下机械敏感电导变化率G_str/G₀

（f）机械敏感电导变化率与孔径尺寸（1.8-5.8 nm，器件#7）之间的关系

图四、机械敏感离子传输的分子动力学（MD）模拟 © 2022 The Authors

（a）在电位差和压力梯度作用下，离子通过单层石墨烯纳米孔传输的模拟域示意图

（b）在Δϕ=3 V和Δp = 200 MPa条件下穿过膜的离子密度分布

（c）Δp = 200 MPa膜上的净电荷密度分布

（d-e）（d）Δϕ=3 V零压偏压和（e）Δϕ=3 V、Δp = 200 MPa条件下纳米孔附近轴对称水密度和速度矢量的可视化图

（f-g）（f）Δϕ=3 V零压偏压和（g）Δϕ=3 V、Δp = 200 MPa条件下轴对称净电荷分布和电流密度矢量的可视化图

（h）电导率与移动速度的关系

（i）不同移动速度的电流随时间变化

【结论展望】

通过实验，研究人员使用单个石墨烯纳米孔中的极限薄势垒通过实验首次探索了压敏离子传输现象。离子传导的这种压力调制涉及非线性电流体力学耦合，这是线性电动力学理论的经典图像所无法预测的。作者在各种条件下进行了大量实验，一致地观察到单层石墨烯纳米孔中的非线性调制。MD模拟显示，这种现象是由于在电压和压力驱动的输运下，石墨烯膜两侧离子的强电容性积累引起的。因此，这项工作为在纳米尺度上实现对离子传输的主动控制和开发先进的仿生离子器件的有效压力敏感性开辟了一个新的维度。

文献链接：Nonlinear electrohydrodynamic ion transport in graphene nanopores ( Science Advances 2021, DOI: 10.1126/sciadv.abj2510)

本文由大兵哥供稿。