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Nano Letters:纳米孔道离子通道研究

来源:科技日报 2009-05-31 21:48

南京工业大学陆小华教授最新的一项研究成果被国际物理、化学和纳米学科权威期刊《纳米快报》(Nano Letters)2009年第9卷第3期采用。《纳米快报》认为,该研究令人信服地展示了离子水化的结构变化和由此导致的离子与第一水化层水分子相互作用能的变化,突破了传统所认为的在直径1.0纳米左右的通道中钠离子和钾离子的水化应该十分类似的观点。

研究纳米通道内流体行为,是国际上很重要的一项基础研究。为了弄清楚流体在纳米孔道中的传递过程,陆小华团队经过10年苦心钻研,以纳米碳管为介孔模型,通过分子模拟,对在受限环境下水等典型流体分子结构和传递行为研究后发现,流体分子的传递性质在1纳米左右介孔内主要受介孔尺寸和界面化学性质影响,和宏观条件下受温度压力影响的情况完全不同。他们利用分子动力学模拟研究了钠离子和钾离子在直径0.6到1.28纳米的碳纳米管中水化的结构和能量变化,发现两者的水化有序度随着管径有着不同的变化,从而导致了在大尺寸的碳管内优先尺寸较小的钠离子,而在尺寸较小的碳管内则尺寸较大的钾离子优先。该成果可以对膜分离、吸附、纳米催化等涉及到微孔结构的过程进行计算,从而获得指导性方法,并为新型化工材料的设计、制备与应用提供理论指导。

据悉,生物膜通道中离子高选择性的机理是目前国际科学研究领域的热点之一。生物体内的离子通道可以在保持高流速的同时高效地分离各种离子,是目前人工所制备的材料无法企及的。陆小华的这一研究成果将有助于更好地理解生物体内的各种生命活动,更好地掌握各种仿生分离膜和纳米元器件制备及应用过程中的一些影响因素,从而对其设计提供理论依据。(生物谷Bioon.com)

生物谷推荐原始出处:

Nano Lett., 2009, 9 (3), pp 989–994 DOI: 10.1021/nl803044k

Anomalous Hydration Shell Order of Na+ and K+ inside Carbon Nanotubes

Qing Shao?, Jian Zhou?, Linghong Lu?, Xiaohua Lu*?, Yudan Zhu? and Shaoyi Jiang§

State Key Laboratory of Materials-oriented Chemical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, People’s Republic of China, School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, People’s Republic of China, and Department of Chemical Engineering, University of Washington, Seattle, Washington 98195

We performed molecular dynamics simulations of the hydration of Na+ and K+ in infinitely long single-walled armchair carbon nanotubes (CNTs) at 298 K. Simulation results indicate that the preferential orientation of water molecules in coordination shells of these two cations presents an anomalous change in the CNTs and causes a diameter-dependent variation for the interaction energy between the cation and water molecules in its coordination shell. In the five CNTs of this work, it is energetically favorable for confining a hydrated K+ inside the two narrow CNTs with diameters of 0.60 and 0.73 nm, whereas the situation is reverse inside the wide CNTs with diameters of 0.87, 1.0, and 1.28 nm. This finding is important for CNT applications in ionic systems that control the selectivity and the ionic flow.

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