新型二维纳流体通道的构建及其离子传输机制的研究

Interfacial forces and surface forces have strong influence on the physical behaviors of fluid confined in nanochannels of 1 to 100 nanometers in dimension, and therefore fluid transport through nanochannels exhibits unique characteristics that differ from bulk case. Studying molecular/ionic transport mechanism in nanochannels is benefit for modeling the mass transport in physiological condition, and systematic investigation on nanofluidic transport can provide theoretic basis for understanding nanofluidic system in depth and exploiting new nanofluidic devices. Conventional fabrication technologies (such as: photolithography, template method) involves complicated processes with low productivity and high production cost, which brings lots of obstacles for making high quality nanochannels in a large scale. In this proposal, layered materials are employed as the precursors to make corresponding two-dimensional (2D) nanosheets, and liquid exfoliation approach is adopted to exfoliate the layered materials. Then, macro-materials with 2D nano-channels are constructed through bottom-up re-assembly of the 2D nanosheets, and the 2D nano-channels are utilized as fluid transport channels. The properties of the nanochannels are adjusted by modifying structure and characteristics of the 2D nanosheets, and the nanofluid transport mechanism is analyzed, which is benefit for developing new 2D nanofluidic nanochannels with high ion conductivity and selectivity. This proposal is provided with important scientific value for exploiting new-style ion devices based on 2D nanofluids.

在径向尺度为1-100 nm的纳流体通道中，界面和表面作用力对流体影响很大，此时纳流体会表现出不同于宏观流体的物理行为。研究分子或离子在纳流体通道中的传输机制，有利于模拟物质在生物体中的传输，也为深入认识纳流体系统和开发新型纳流体器件提供理论依据。传统纳流体通道制备方法（如：蚀刻法、模板法）涉及复杂的制备工艺和技术，并且制备成功率低、制造成本高，难以实现高质量纳流体通道的大规模制备。本项目拟采用层状材料作为前驱体，通过液相剥离层状材料获得相应的二维纳米片层，基于二维纳米片层自下而上的重组装，构建出具有二维纳米孔隙结构的组装体材料，利用纳米孔隙作为一种新型二维纳流体通道；通过对二维纳米片层结构和性质进行改性，实现对二维纳流体通道性能的调控，并分析流体在纳流体通道中的传输机制，发展具有高离子电导率和选择性的新型二维纳流体通道。本项目的实施对开发基于二维纳流体的新型离子器件具有重要的科学价值。

当流体维度接近纳米尺度时，流体的一些结构特征虽然在宏观流体里常常无足轻重，在微观尺度将会变得十分重要。当电流电解质的德拜长度大于纳流体通道的尺度时，在通道内壁附近形成的双电层将会重叠，这使得与内壁带有同样类型电荷的离子被排斥，而具有异种电荷的离子会被表面电荷所吸引。纳流体通道的传统制备方法主要涉及制备单一的纳米孔、纳米隧道或者纳米管道。为了实现纳流体的实际应用，将无数的纳流体通道进行整合集成十分必要，因而基于层状薄膜的二维纳流体通道引起了人们极大的关注。蒙脱土是一种资源丰富的具有高稳定性和高阳离子交换能力的粘土矿物。通过液相剥离法可以获得单层蒙脱土，这对于可控组装基于蒙脱土二维纳米片层的纳流体通道十分有利。在此，钠基蒙脱土被采用作为前驱体材料，通过将其层间的钠离子用锂离子取代，产生了锂基蒙脱土，由于锂离子具有比钠离子更高的水结合能力，因此锂基蒙脱土可以在反渗透作用下发生的体积膨胀，这使得片层之间的吸引力变弱，因而锂基蒙脱土可以在离心剪切力下被剥离成单层。通过将含有二维蒙脱土单层的水分散液进行真空抽滤，可获得柔性的具有均一层间距的蒙脱土薄膜。利用层间距作为离子传输通道构建了二维纳流体阵列。通过电导测试，我们发现在低浓度的电解液体系下，离子在该阵列中的传输受通道内壁的表面电荷控制。该纳流体结构在400摄氏度高温处理之后仍然稳定，该高温处理的二维纳流体阵列在低浓度电解质体系中仍然展示出表面电荷密度控制的离子传输行为。另外，漂移扩散实验揭示了通过该纳流体通道的中阳离子迁移率是阴离子的8-9倍，这与蒙脱土片层带有负电荷是一致的。最后，我们观察到在非对称的纳流体系统中的离子电流整流效应，在氯化钾和盐酸作为电解质体系中，离子整流比可分别达到2.6和3.5。这些性质使得该二维纳流体阵列在许多领域，比如膜分离、生物传感以及能源储存，都具有潜在的应用，特别是在一些高温应用领域。