多虧了石墨烯，原子級毛細血管能阻擋最小的鈉離子！

英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究所(National Graphene Institute)的研究人員首次成功地製造出了只有一個原子大小的人造通道。新毛細血管非常像天然的蛋白質通道，比如水通道蛋白，它們足夠小，可以阻擋鈉離子和氯離子等最小離子的流動，但允許水自由流動。該結構不僅提高了我們對原子尺度上的分子輸運，特別是生物系統中分子輸運的基本認識，而且在海水淡化和過濾技術中具有理想的應用前景。研究小組組長安德烈·海姆爵士解釋說：很明顯，要使毛細血管的尺寸小於一個原子是不可能的，即使事後看來，我們的壯舉也幾乎是不可能的。

博科園-科學科普：僅僅在幾年前，很難想像會有這麼小的毛細血管。天然形成的蛋白質通道，如水通道蛋白，允許水快速滲透，但由於空間排斥性(尺寸)和靜電斥力等機制，阻礙了大小超過7a的水合離子。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，但儘管在製造納米尺度的孔隙和納米管方面取得了很大進展，但迄今為止，所有這些結構都比生物通道大得多。Geim和同事現在已經製造出了高度只有3.4 A左右的通道。這大約是最小水合離子的一半大小，比如K 和Cl-，它們的直徑為6.6 a。這些通道的行為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2.8 a)自由通過。

圖片：University of Manchester

重要的是這種結構可以幫助開發低成本、高通量的海水淡化過濾器和相關技術——這是該領域研究人員的聖杯。研究人員將他們的發現發表在《科學》上，使用范德華組裝技術製造了這種結構，也被稱為「原子級樂高」，這是石墨烯研究的成果。從大塊石墨中分離出厚度僅為50和200納米的原子平面納米晶體，然後將單層石墨烯薄片置於這些納米晶體的表面，當類似的原子平面晶體隨後被放置在兩個晶體之間時，這些條帶充當間隔。由此產生的三層組裝可以看作是連接在中間平面空隙的一對邊緣位錯，這個空間只能容納一層原子水。將石墨烯單層膜用作間隔層是第一次，這也是新通道不同於以往任何結構的原因。

曼徹斯特大學科學家們設計的二維毛細血管寬130納米，長几微米。將其組裝在氮化硅薄膜上，該薄膜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經毛細血管的水量，毛細血管的間隔要厚得多(大約6.7英尺高)。雖然他們的一些分子動力學模擬表明，較小二維空腔應該會因為范德華引力而坍塌，但其他的計算則指出，裂縫內的水分子實際上可以起到支撐作用，防止單原子高的裂縫(只有3.4英尺高)倒塌，這確實是曼徹斯特隊在實驗中發現。使用一種稱為重力測量的技術測量了渠道中的水滲透率。

在這裡讓一個密封的小容器中的水完全通過毛細血管蒸發，然後我們精確地測量(以微克的精度)這個容器在幾個小時內減輕了多少重量。為了做到這一點，研究人員同時建立了大量的通道(超過100個)來提高測量靈敏度。還使用較厚的頂部晶體來防止下垂，並剪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，通過薄的邊緣呈現在這裡。為了測量離子流，通過施加電場迫使離子通過毛細血管，然後測量產生的電流。如果我們的毛細血管有兩個原子那麼高，發現小離子可以在毛細血管中自由移動，就像在大水中一樣，相比之下，沒有離子能通過我們最終的原子小通道。

唯一的例外是質子，它們被認為是真正的亞原子粒子在水中移動，而不是包裹在直徑幾埃的相對較大的水化殼中的離子。因此，通道阻擋了所有的水合離子，但允許質子通過。由於這些毛細血管的行為方式與蛋白質通道相同，它們對於更好地理解水和離子在分子尺度上的行為將是重要的——就像在埃尺度的生物過濾器中那樣。研究工作(包括現在和以前的工作)表明，原子限制水與散裝水的性質有很大的不同，例如，它變得很有層次感，有不同的結構，表現出完全不同的介電性質。

博科園-科學科普｜Ben Robinson, University of Manchester

研究/來自：曼徹斯特大學

參考期刊文獻:《科學》

DOI: 10.1126/science.aan0877

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