曼大Andre Geim教授最新成果：原子级的石墨烯毛细管

据报道，英国曼彻斯特大学国家石墨研究所的研究人员首次成功地制造出一个原子大小的类似于毛细血管的人造通道。这个新的毛细血管非常像天然的蛋白质通道，如水通道，小到足以阻挡如Na离子和Cl离子等小尺寸离子的通过，但却允许水自由流过。该研究除了提高我们对原子尺度上，特别是在生物系统中分子传输的基本理解之外，这种结构未来在海水淡化和过滤技术中的应用也是非常理想的。

“很明显，要使毛细血管的尺寸小于一个原子大小是不可能的，”小组组长安德烈·海姆爵士解释道。“即使事后看来，我们的壮举似乎几乎是不可能的，几年前很难想象有这么小的毛细血管。”

天然存在的蛋白质通道，如水通道，允许水迅速渗透到它们中间，但由于空间排斥和静电排斥等机制，水合离子的大小超过了7。研究人员一直在尝试制造像天然毛细血管一样工作的人造毛细血管，但尽管在创造纳米孔径和纳米管方面取得了很大进展，但迄今为止，所有这些结构的尺寸仍然比生物通道大得多。

盖姆和他的同事们现在已经制造出高度只有3.4左右的通道。这大约是最小的水合离子的一半大小，如K离子Cl离子，它们的直径为6.6。这些通道的行为就像蛋白质通道，它们小到足以阻挡这些离子，但足够大到允许水分子(直径约为2.8)自由流过。

重要的是，这些结构可以帮助开发低成本、高通量的水淡化过滤器和相关技术，这对该领域的研究人员来说是一个圣杯。

原子级“乐高”

他们在《科学》杂志上发表了他们的发现，研究人员利用范德华尔斯组装技术制造了他们的结构，也被称为“原子尺度乐高”，这是由于对石墨烯的研究而发明的。研究论文的合著者拉达·博亚博士解释说：“我们从块状石墨中切割出厚度为50纳米和200纳米的原子扁平纳米晶，然后将单层石墨烯条放置在这些纳米晶的表面上。”“当随后在顶部放置一个类似原子扁平的晶体时，这些条带作为两个晶体之间的间隔。由此产生的三层组装可以被看作是一对边缘位错，在中间连接着一个扁平的空隙。这个空间只能容纳一层原子层的水。”

她说，使用石墨烯单层作为隔膜是第一次，这就是使新的通道不同于以往任何结构的原因。曼彻斯特的科学家们设计了二维毛细血管，宽130纳米，长度几微米。他们将它们组装在氮化硅膜上，将两个分离的容器隔开，以确保通道是水和离子流动的唯一途径。

到目前为止，研究人员只能测量流经间隔较厚的毛细血管(约6.7)的水流。尽管他们的一些分子动力学模拟表明，由于范德华尔在相对墙壁之间的吸引力，较小的二维腔应该会倒塌，但其他计算指出，狭缝中的水分子实际上可以起到支撑作用，甚至可以防止一个原子高的狭缝(只有3.4高)掉下来。这确实是曼切斯特队在其实验中发现的。

测量水和离子流

拉达说：“我们用一种叫做重力测量的技术测量了通过我们的通道的水的渗透。”“在这里，我们允许一个密封的小容器中的水完全通过毛细血管蒸发，然后我们精确地测量(微克精度)这个容器在几个小时内减轻了多少重量。”

为了做到这一点，研究人员说，他们建立了大量的通道(超过100个)并行，以提高他们的测量灵敏度。他们还使用更厚的顶部晶体以防止下垂，并剪下毛细血管的顶部开口(使用等离子蚀刻)，以消除任何潜在的堵塞在这里存在的薄薄的边缘。

为了测量离子流量，他们通过施加电场迫使离子穿过毛细血管，然后测量产生的电流。“如果我们的毛细血管是两个原子高，我们发现小离子可以自由移动，就像发生在散装水中一样，”拉达说。“相反，没有离子能通过我们最终的小的一个原子高的通道。

“例外是质子，它以真正的亚原子粒子的形式在水中运动，而不是被包裹在直径几埃的较大水化壳中的离子。因此，我们的通道阻挡了所有的水化离子，但允许质子通过。”

由于这些毛细血管的行为方式与蛋白质通道相同，它们对于更好地理解水和离子在分子尺度上的行为是很重要的-就像在英语生物过滤器中一样。盖姆解释说：“我们的工作(无论是现在还是以前)都表明，原子承压水与块状水的性质有很大不同。”例如，它具有强烈的层状结构，具有不同的结构，并且表现出完全不同的介电性能。