據(jù)報(bào)道，英國曼徹斯特大學(xué)國家石墨研究所的研究人員首次成功地制造出一個(gè)原子大小的類似于毛細(xì)血管的人造通道。這個(gè)新的毛細(xì)血管非常像天然的蛋白質(zhì)通道，如水通道，小到足以阻擋如Na離子和Cl離子等小尺寸離子的通過，但卻允許水自由流過。該研究除了提高我們對(duì)原子尺度上，特別是在生物系統(tǒng)中分子傳輸?shù)幕纠斫庵猓@種結(jié)構(gòu)未來在海水淡化和過濾技術(shù)中的應(yīng)用也是非常理想的。

“很明顯，要使毛細(xì)血管的尺寸小于一個(gè)原子大小是不可能的，”小組組長(zhǎng)安德烈·海姆爵士解釋道。“即使事后看來，我們的壯舉似乎幾乎是不可能的，幾年前很難想象有這么小的毛細(xì)血管。”

天然存在的蛋白質(zhì)通道，如水通道，允許水迅速滲透到它們中間，但由于空間排斥和靜電排斥等機(jī)制，水合離子的大小超過了7。研究人員一直在嘗試制造像天然毛細(xì)血管一樣工作的人造毛細(xì)血管，但盡管在創(chuàng)造納米孔徑和納米管方面取得了很大進(jìn)展，但迄今為止，所有這些結(jié)構(gòu)的尺寸仍然比生物通道大得多。

蓋姆和他的同事們現(xiàn)在已經(jīng)制造出高度只有3.4左右的通道。這大約是最小的水合離子的一半大小，如K離子Cl離子，它們的直徑為6.6。這些通道的行為就像蛋白質(zhì)通道，它們小到足以阻擋這些離子，但足夠大到允許水分子(直徑約為2.8)自由流過。

重要的是，這些結(jié)構(gòu)可以幫助開發(fā)低成本、高通量的水淡化過濾器和相關(guān)技術(shù)，這對(duì)該領(lǐng)域的研究人員來說是一個(gè)圣杯。

原子級(jí)“樂高”

他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員利用范德華爾斯組裝技術(shù)制造了他們的結(jié)構(gòu)，也被稱為“原子尺度樂高”，這是由于對(duì)石墨烯的研究而發(fā)明的。研究論文的合著者拉達(dá)·博亞博士解釋說：“我們從塊狀石墨中切割出厚度為50納米和200納米的原子扁平納米晶，然后將單層石墨烯條放置在這些納米晶的表面上。”“當(dāng)隨后在頂部放置一個(gè)類似原子扁平的晶體時(shí)，這些條帶作為兩個(gè)晶體之間的間隔。由此產(chǎn)生的三層組裝可以被看作是一對(duì)邊緣位錯(cuò)，在中間連接著一個(gè)扁平的空隙。這個(gè)空間只能容納一層原子層的水。”

她說，使用石墨烯單層作為隔膜是第一次，這就是使新的通道不同于以往任何結(jié)構(gòu)的原因。曼徹斯特的科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了二維毛細(xì)血管，寬130納米，長(zhǎng)度幾微米。他們將它們組裝在氮化硅膜上，將兩個(gè)分離的容器隔開，以確保通道是水和離子流動(dòng)的唯一途徑。

到目前為止，研究人員只能測(cè)量流經(jīng)間隔較厚的毛細(xì)血管(約6.7)的水流。盡管他們的一些分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，由于范德華爾在相對(duì)墻壁之間的吸引力，較小的二維腔應(yīng)該會(huì)倒塌，但其他計(jì)算指出，狹縫中的水分子實(shí)際上可以起到支撐作用，甚至可以防止一個(gè)原子高的狹縫(只有3.4高)掉下來。這確實(shí)是曼切斯特隊(duì)在其實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。

測(cè)量水和離子流

拉達(dá)說：“我們用一種叫做重力測(cè)量的技術(shù)測(cè)量了通過我們的通道的水的滲透。”“在這里，我們?cè)试S一個(gè)密封的小容器中的水完全通過毛細(xì)血管蒸發(fā)，然后我們精確地測(cè)量(微克精度)這個(gè)容器在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)減輕了多少重量。”

為了做到這一點(diǎn)，研究人員說，他們建立了大量的通道(超過100個(gè))并行，以提高他們的測(cè)量靈敏度。他們還使用更厚的頂部晶體以防止下垂，并剪下毛細(xì)血管的頂部開口(使用等離子蝕刻)，以消除任何潛在的堵塞在這里存在的薄薄的邊緣。

為了測(cè)量離子流量，他們通過施加電場(chǎng)迫使離子穿過毛細(xì)血管，然后測(cè)量產(chǎn)生的電流。“如果我們的毛細(xì)血管是兩個(gè)原子高，我們發(fā)現(xiàn)小離子可以自由移動(dòng)，就像發(fā)生在散裝水中一樣，”拉達(dá)說。“相反，沒有離子能通過我們最終的小的一個(gè)原子高的通道。

“例外是質(zhì)子，它以真正的亞原子粒子的形式在水中運(yùn)動(dòng)，而不是被包裹在直徑幾埃的較大水化殼中的離子。因此，我們的通道阻擋了所有的水化離子，但允許質(zhì)子通過。”

由于這些毛細(xì)血管的行為方式與蛋白質(zhì)通道相同，它們對(duì)于更好地理解水和離子在分子尺度上的行為是很重要的-就像在英語生物過濾器中一樣。蓋姆解釋說：“我們的工作(無論是現(xiàn)在還是以前)都表明，原子承壓水與塊狀水的性質(zhì)有很大不同。”例如，它具有強(qiáng)烈的層狀結(jié)構(gòu)，具有不同的結(jié)構(gòu)，并且表現(xiàn)出完全不同的介電性能。