多虧了石墨烯，原子毛細管可以阻擋最小的鈉離子！

多虧了石墨烯，原子毛細管可以阻擋最小的鈉離子！

英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所的研究人員首次成功地創造了只有一個原子大小的人工通道。新的毛細血管與天然蛋白質通道非常相似，如水通道蛋白，它們小到足以阻止最小離子的流動，如SODI。這種結構不僅提高了我們對原子尺度下分子輸運的基本認識，特別是在生物系統中，而且在海水淡化和過濾技術中有著理想的應用前景。研究小組組長安德烈·海姆爵士解釋說，很明顯，這是一種分子輸運過程。可以使毛細血管比原子小，即使事后看來，我們的壯舉也幾乎是不可能的。

博科公園——科普：就在幾年前，很難想象有這么小的毛細血管，自然形成的蛋白質通道，如水通道，可以讓水迅速滲透。然而，由于空間排斥（尺寸）和靜電排斥，超過7A尺寸的水合離子受到阻礙。研究人員一直試圖使人造毛細血管像天然毛細血管一樣工作，但盡管在納米孔和納米管的制造方面取得了相當大的進展，但所有這些結構到目前為止都要大得多。Geim和他的同事們已經建立了一個大約3.4 A高的通道，這個通道大約是最小水合離子（如K+和Cl-）的一半大小，直徑為6.6a。這些通道就像蛋白質通道一樣。它們小到足以阻擋這些離子，但大到足以讓水分子（直徑約2.8a）自由通過。

重要的是，這種結構有助于開發低成本、高通量的脫鹽過濾器和相關技術，這是該領域研究人員的圣杯。研究人員在《科學》雜志上發表了他們的發現，使用范德華斯組裝技術來創建這種結構，也稱為原子樂高，這是石墨烯研究的成果。從大石墨塊中分離出厚度僅為50和200納米的原子平面納米晶體，然后在這些納米晶體的表面放置單層石墨烯片。當隨后在兩個晶體之間放置類似的原子平面晶體時，這些帶就起到了間隔的作用。由此產生的三層組裝可以看作是一對邊緣位錯，它們連接到中間平面的空隙中，只能容納一層原子水。這是第一次使用石墨烯單層。作為間隔層，這也是新通道與以前任何結構不同的原因。

曼徹斯特大學的科學家們設計的二維毛細管寬130納米，長幾微米。它被組裝在一層氮化硅薄膜上，將兩個獨立的容器分開，以確保通道是水和離子流動的唯一通道。到目前為止，研究人員只能測量流過毛細血管的水的t值要厚得多（約6.7英尺高）。雖然他們的一些分子動力學模擬表明，較小的二維空腔會由于范德華重力而坍塌，但其他計算表明，裂縫中的水分子實際上可以起到支撐作用，以防止單原子的高密度。曼徹斯特研究小組在實驗中發現了坍塌產生的裂縫（只有3.4英尺高），一種稱為重力測量的技術被用來測量渠道的透水性。

在這里，一個密封的小容器中的水通過毛細血管完全蒸發，然后我們精確地（以微克的精度）測量容器在幾個小時內損失了多少重量。為了實現這一點，研究人員還建立了大量的通道（超過100個），以提高測量的靈敏度。更厚的頂部哭泣。斯大爾斯也被用來防止下垂和切斷毛細血管的頂部開口（使用等離子蝕刻），以消除任何潛在的堵塞，這是通過薄邊緣存在的。為了測量離子電流，施加電場迫使離子通過毛細血管，然后測量產生的電流。如果我們的毛細血管RIES高達兩個原子，我們發現小的離子可以在毛細管中自由移動，就像在大的水中一樣。相反，沒有離子能通過我們最后的原子路徑。

唯一的例外是質子，它被認為是真正的在水中運動的亞原子粒子，而不是包裹在直徑為幾埃的相對較大的水合物殼中的離子。因此，通道阻塞所有水合物離子，但允許質子通過。因為這些毛細血管的行為方式與蛋白質通道相同，它們對于更好地理解水和離子在分子尺度上的行為非常重要，就像它們在E尺度生物過濾器中一樣。研究工作（包括當前和以前的工作）表明，原子約束水的性質與散裝水有很大的不同。例如，它變得非常等級化，具有不同的結構，表現出完全不同的介電性能。

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