南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，南开大学刘智波、田建国教授团队在纳米流体离子输运领域取得重要进展，通过对不同孔径、携带不同电荷量的单原子层纳米孔的离子输运性质进行系统性研究，团队证实了带电单原子层纳米孔与电双层离子之间存在非经典相互作用，并基于实验现象对已有物理模型进行非经典修正。相关成果以“单原子层石墨烯纳米/亚纳米孔的电导缩放行为与其导电机理 (Scaling Behavior and Conductance Mechanisms of Ion Transport in Atomically Thin Graphene Nano/Subnanopores)”为题，发表在国际顶级学术期刊Nano Letters（《纳米快报》）上。
离子通道作为在生命活动中广泛涉及的纳米结构，承担着传递能量与信息的重要作用，具有结构简单、低能耗、高效率等优势。受限于纳米/亚纳米尺度的狭小空间，离子的运动往往展现出新奇的现象，而人类在这一领域的认知仍十分有限。研究清楚离子在纳米/亚纳米尺度下的输运行为以及离子与离子通道间的相互作用将有助于人类进一步认识生命运作的本质，而人造固态纳米孔则为人类进行这样的研究提供了可靠的平台。
图1.带电石墨烯纳米孔在外加电场下的离子输运行为。
刘智波、田建国教授团队探讨了在单原子层厚度纳米孔中水和离子的异常输运现象，这对经典离子输运理论提出了挑战。传统的Maxwell-Hall电阻模型（MH模型）最初主要用于解释未考虑表面电荷情况下的离子输运。然而，对于带有表面电荷的纳米孔，电双层效应对离子输运的影响尤为显著，尤其在低盐浓度下表现得尤为突出。在该研究中，团队系统地分析了单原子层石墨烯纳米/亚纳米孔中的离子输运性质，并观察到其在不同盐浓度下特殊的电导缩放行为。为此，团队提出了一种新的电导模型，该模型在原子薄层纳米孔的条件下能够精确描述实验结果。模型从半经典的角度描述了电双层离子与单原子层纳米孔边缘的相互作用，表明电导缩放行为的产生源于孔边缘对电双层离子的限制。通过分析不同孔径下电双层离子与孔边缘相互作用产生的势垒，团队成员将量化后的势垒与离子水合能垒联系起来，从而深化了对离子在纳米/亚纳米限域下与物质相互作用的理解。
图2. 离子穿过单原子层纳米/亚纳米孔时所受势垒与亚纳米孔径之间的关系。
南开大学博士研究生黄小渔为本文第一作者，南开大学刘智波教授、英国诺丁汉特伦特大学应翠凤博士为共同通讯作者，南开大学物理科学学院为论文第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金项目等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c06218
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