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图1（左图）纳米通道中离子沿黑磷AC和ZZ晶向上表现的各向异性输运示意图；（右图）不同黑磷纳米通道中离子输运的非线性过程。
南开新闻网讯（通讯员 戴建芳）近日，南开大学物理科学学院、泰达应用物理研究院的刘智波、田建国教授课题组，在二维材料纳米通道的最新研究成果发表在Nano Letters上。他们采用飞秒激光微纳加工及二维材料定点转移叠加的方法制备了以黑磷为壁面的纳米通道结构，通过控制通道延伸方向和黑磷晶格取向的夹角，实现了控制离子沿黑磷表面特定的晶格取向传输。
纳米通道是研究纳米尺度传质和能量转换的重要平台。由于纳米通道的超高比表面积，流体与通道表面的相互作用在液体传输中起主导作用。这种相互作用导致了一些重要的现象，包括润湿性、Couette流和Poiseuille流。传统纳米通道利用FIB、EBL等微纳加工技术将通道加工在二氧化硅等材料上，具有制备成本高，且表面平整度难以控制等缺点。二维材料由于其原子高度、平面度和易于加工而广泛应用于纳米通道研究。具体而言，二维材料纳米通道提供了潜在的摩擦控制，这是影响纳米通道中流体传输的关键因素之一。石墨烯、二硫化钼和黑磷具有特定的晶体结构，当流体在其表面移动时，会产生独特的传输效应，从而实现对流体传输的调控。
研究发现，对于沿不同黑磷晶格取向传输的离子表现出不同的传输特性。沿AC方向离子传输表现出相对于ZZ方向更强的限制，在电流测试中表现出更明显的非线性特征，而用相同方法制备的石墨烯纳米通道则表现出明显的线性特征。作者计算了两种材料表面离子和水的扩散势垒，其结果表明在黑磷表面存在明显的各向异性传输势垒，沿AC方向的传输势垒要比ZZ方向大了约10倍，而石墨烯由于其原子排列处于同一平面内，传输势垒极低且无取向性。这项工作为实现纳米尺度传质提供了新的调控手段，这对受限通道中的输运、能量转换和生物传感等研究具有重要意义。相关工作得到了国家自然科学基金委项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00078
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