金属碳纳米管，首次突破！

分子分离在现代技术中发挥着越来越重要的作用，从海水淡化到关键材料的收集，再到高价值化学品和药品的制造。纳米流体通道对水和离子施加了极端的限制，从而产生了异常的传输现象，这种现象强烈依赖于通道-壁界面的相互作用。然而，纳米流体通道的电子特性如何影响传输效率在很大程度上仍未得到探索。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员测量了通过亚1纳米金属和半导体碳纳米管孔内孔的传输。发现与半导体纳米管相比，金属纳米管中的水和质子传输得到增强，而离子传输对纳米管带隙值基本不敏感。使用可极化力场的分子模拟突出了碳纳米管的各向异性极化率张量对离子-纳米管相互作用和水摩擦系数的贡献。研究人员还使用深度神经网络分子动力学模拟描述了金属纳米管中质子传输增强的起源。这些结果强调了纳米流体通道的电子特性在极端纳米级限制下调节传输的复杂作用。

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

/ 研究亮点 /

研究表明，与半导体纳米管相比，金属纳米管中的水和质子传输均显著增强。这种增强归因于纳米管的电子特性，特别是其金属性质，这会影响与传输分子的相互作用。

离子传输独立性：与水和质子传输不同，离子传输效率基本不受 CNTP 的电子特性（金属或半导体性质）的影响。这一发现令人惊讶，与文献中先前的假设和预测形成了鲜明对比。

CNT 直径的影响可忽略不计：CNT 直径的细微变化不会显著影响水的传输效率。这表明纳米管壁的电子特性对水的传输的影响比纳米管的物理尺寸更大。

*使用纯种CNTP：这项研究利用了纯种的 CNTP，即具有明确电子特性和直径的超短 CNT 片段。这种方法可以*评估传输特性及其与纳米管电子结构的相关性。

该研究采用了可极化力场的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向异性极化率张量对离子-纳米管相互作用和水摩擦系数的贡献，从而加深了对传输现象的理解。

该研究结果为设计具有优化传输效率的纳米流体通道和膜平台开辟了新的机会。金属 CNTP 增强的传输特性可用于开发更高效的分离技术，这对于水净化、材料收集和化学制造等应用至关重要。

/ 总结 /

本研究结果揭示了碳纳米管（CNT）电子特性对其纳米流体通道传输效率的复杂贡献，其中离子、水分子和质子与通道壁的复杂极化相互作用显著影响了测量的传输特性。研究报告，金属碳纳米管中的水和质子传输在相似直径的半导体碳纳米管中始终得到增强，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也不会显著影响水的传输效率。这些结果为设计具有优化传输效率的纳米流体通道和新型膜平台开辟了新的机会。

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