西南交通大学：发现埃级别狭缝中离子的传输机理

■阮琦记者文才飞

10月27日，《科学》杂志发表了一篇题为“埃及水平狭缝中离子输运的尺寸效应”的论文，西南交通大学博士生杨千参加了该论文的研究。该研究由西南交通大学荣誉退休教授、曼彻斯特大学教授、诺贝尔物理学奖获得者安德烈·海姆主持，他也是该论文的通信作者。这是西南交通大学学生第一次联合发表一篇关于科学的学术论文。本文的研究发现，一个精确构建的二维埃级石墨烯通道可以允许多种盐离子通过挤压或光滑的水合层来实现离子的差异传输。

埃级传输通道相当于100万根头发丝的直径，存在于自然界的各种结构和活组织中，在特定离子的选择性传输甚至维持生物体的代谢功能中发挥着重要作用。此前，科学家无法清楚理解和准确描述离子在微小通道中的传输机制。

来自英国和中国的科研团队通过调整分子间的范德华力，将石墨烯通道与原子光滑表面组装在一起，只有两层石墨烯厚度。与准一维纳米管和生物通道不同，这种二维纳米通道具有良好的化学稳定性，其高度洁净的表面使得通道表面的电荷密度比以前文献报道的低3-4个数量级。研究还发现，对于水合直径在6.6至12.5之间的普通金属离子，尽管水合离子的直径仍然大于通道的尺寸，但通道允许这些离子以不同的速率通过。

研究表明，水合离子在这种二维原子水平的受限空间中传输时表现出软球的特征，并且可以通过挤压或平滑水合层而穿过通道。他们研究了不同阳离子氯化物的漂移扩散，发现相同大小的阴离子和阳离子在通道中呈现不对称迁移率。

杨千主要负责埃尺寸通道的设计、控制和器件组装，并参与离子传输机制的讨论和其他相关研究工作。她于2013年毕业于西南交通大学，获得材料科学与工程(高分子方向)学士学位。作为材料研究所(教育部先进材料技术重点实验室)教授周作万的直接博士生，她在自己的专业中名列第一，开展了碳基纳米材料的研究。2015年，她去了英国曼彻斯特大学，接受安德烈·海姆教授研究小组的联合培训。

周作万说，这一成果不仅建立了精确控制埃级离子通道的方法，而且揭示了离子在受限空间中的输运机制，为纳米流体、受限空间离子输运和分子分离技术提供了重要的科学依据。

《中国科学新闻》(第八版，2017年10月31日)