【复材信息】金属碳纳米管，新突破！

2024-08-10

从海水淡化到关键材料的收集，再到高价值化工品和药品的制造，分子分离在现代技术中发挥着越来越重要的作用。纳米流体通道对水和离子施加了极端的限制，导致异常传输，这强烈依赖于通道-壁页面的相互作用。然而，在一定程度上，还没有探索纳米流体通道的电子特性如何影响传输效率。

通过亚1纳米金属和半导体碳纳米管孔内孔的传输，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员进行了测量。金属纳米管中的水和质子传递与半导体纳米管相比有所增强，而离子传递对纳米管的带隙值基本不敏感。利用可极化力场的分子模拟突出了碳纳米管各种极化率张量对离子-纳米管相互作用和水摩擦阻力的贡献。研究人员还利用深度神经网络分子动力学模拟对金属纳米管中质子传递增强的起源进行了描述。这一结果强调了纳米流体通道电子特性在极端纳米限制下对传输的复杂性进行调整。

以“相关研究成果”Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins"问题发表于《Nature Materials》。

图文导读

研究发现，与半导体纳米管相比，金属纳米管中的水和质子输送明显增强。这种增强归功于纳米管的电子特性，尤其是其金属特性，会影响与输送分子的相互作用。

离子传输的独立性：离子传输效率基本上不受水和质子传输的影响。 CNTP 影响电子特性(金属或半导体特性)。这个发现令人吃惊，与文献中以前的假设和预测形成了鲜明的对比。

CNT 可以忽略直径影响：CNT 微小的直径变化对水的传输效率没有显著影响。这表明纳米管壁电子特性对水的传输比纳米管的物理尺寸更有影响。

第一次使用纯种CNTP：这项研究使用了纯种。 CNTP，即具有明确的电子特性和直径超短 CNT 片段。该方法对传输特性及其与纳米管电子结构的相关性进行了准确的评估。

该研究采用了可极化力场分子模拟和深度神经网络分子动力学模拟。这些模拟突出了碳纳米管各种极化率张量对离子-纳米管相互作用和水摩擦阻力的贡献，进而加深了对传输现象的理解。

这项研究的结果为纳米流体通道和膜平台的设计提高了传输效率提供了新的机会。金属 CNTP 对水处理、材料收集、化学制造等方面的应用尤为重要，强化传输特性可用于开发更加有效的分离技术。

图1 纯CNTPs中的离子传输物种

图2 手工纯碳纳米管中的水运输

图3 质子运输在手性纯CNTPs中。

图4. 单手纯CNTPs中的质子输送运输

总结与展望

这项研究的结果揭示了碳纳米管（CNT）离子、水分和质子与通道壁的复杂极化相互作用，显著影响了电子特性对纳米流体通道传输效率的复杂贡献。调查报告显示，金属碳纳米管中的水和质子传输总是在直径相似的半导体碳纳米管中得到增强，而离子传输效率基本不受影响。令人惊讶的是，碳纳米管直径的微小变化对水的传输效率没有显著影响。这一结果为纳米流体通道和新型膜平台的设计开辟了新的机遇，提高了传输效率。

原文信息：Li, Y., Li, Z., Misra, R.P. et al. Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins. Nat. Mater. 23, 1123–1130 (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01925-w

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