據(jù)報道，英國曼徹斯特大學國家石墨研究所的研究人員首次成功地制造出一個原子大小的類似于毛細血管的人造通道。這個新的毛細血管非常像天然的蛋白質通道，如水通道，小到足以阻擋如Na離子和Cl離子等小尺寸離子的通過，但卻允許水自由流過。該研究除了提高我們對原子尺度上，特別是在生物系統(tǒng)中分子傳輸?shù)幕纠斫庵猓@種結構未來在海水淡化和過濾技術中的應用也是非常理想的。

“很明顯，要使毛細血管的尺寸小于一個原子大小是不可能的，”小組組長安德烈·海姆爵士解釋道。“即使事后看來，我們的壯舉似乎幾乎是不可能的，幾年前很難想象有這么小的毛細血管。”

天然存在的蛋白質通道，如水通道，允許水迅速滲透到它們中間，但由于空間排斥和靜電排斥等機制，水合離子的大小超過了7。研究人員一直在嘗試制造像天然毛細血管一樣工作的人造毛細血管，但盡管在創(chuàng)造納米孔徑和納米管方面取得了很大進展，但迄今為止，所有這些結構的尺寸仍然比生物通道大得多。

蓋姆和他的同事們現(xiàn)在已經(jīng)制造出高度只有3.4左右的通道。這大約是最小的水合離子的一半大小，如K離子Cl離子，它們的直徑為6.6。這些通道的行為就像蛋白質通道，它們小到足以阻擋這些離子，但足夠大到允許水分子(直徑約為2.8)自由流過。

重要的是，這些結構可以幫助開發(fā)低成本、高通量的水淡化過濾器和相關技術，這對該領域的研究人員來說是一個圣杯。

原子級“樂高”

他們在《科學》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，研究人員利用范德華爾斯組裝技術制造了他們的結構，也被稱為“原子尺度樂高”，這是由于對石墨烯的研究而發(fā)明的。研究論文的合著者拉達·博亞博士解釋說：“我們從塊狀石墨中切割出厚度為50納米和200納米的原子扁平納米晶，然后將單層石墨烯條放置在這些納米晶的表面上。”“當隨后在頂部放置一個類似原子扁平的晶體時，這些條帶作為兩個晶體之間的間隔。由此產(chǎn)生的三層組裝可以被看作是一對邊緣位錯，在中間連接著一個扁平的空隙。這個空間只能容納一層原子層的水。”

她說，使用石墨烯單層作為隔膜是第一次，這就是使新的通道不同于以往任何結構的原因。曼徹斯特的科學家們設計了二維毛細血管，寬130納米，長度幾微米。他們將它們組裝在氮化硅膜上，將兩個分離的容器隔開，以確保通道是水和離子流動的唯一途徑。

到目前為止，研究人員只能測量流經(jīng)間隔較厚的毛細血管(約6.7)的水流。盡管他們的一些分子動力學模擬表明，由于范德華爾在相對墻壁之間的吸引力，較小的二維腔應該會倒塌，但其他計算指出，狹縫中的水分子實際上可以起到支撐作用，甚至可以防止一個原子高的狹縫(只有3.4高)掉下來。這確實是曼切斯特隊在其實驗中發(fā)現(xiàn)的。

測量水和離子流

拉達說：“我們用一種叫做重力測量的技術測量了通過我們的通道的水的滲透。”“在這里，我們允許一個密封的小容器中的水完全通過毛細血管蒸發(fā)，然后我們精確地測量(微克精度)這個容器在幾個小時內減輕了多少重量。”

為了做到這一點，研究人員說，他們建立了大量的通道(超過100個)并行，以提高他們的測量靈敏度。他們還使用更厚的頂部晶體以防止下垂，并剪下毛細血管的頂部開口(使用等離子蝕刻)，以消除任何潛在的堵塞在這里存在的薄薄的邊緣。

為了測量離子流量，他們通過施加電場迫使離子穿過毛細血管，然后測量產(chǎn)生的電流。“如果我們的毛細血管是兩個原子高，我們發(fā)現(xiàn)小離子可以自由移動，就像發(fā)生在散裝水中一樣，”拉達說。“相反，沒有離子能通過我們最終的小的一個原子高的通道。

“例外是質子，它以真正的亞原子粒子的形式在水中運動，而不是被包裹在直徑幾埃的較大水化殼中的離子。因此，我們的通道阻擋了所有的水化離子，但允許質子通過。”

由于這些毛細血管的行為方式與蛋白質通道相同，它們對于更好地理解水和離子在分子尺度上的行為是很重要的-就像在英語生物過濾器中一樣。蓋姆解釋說：“我們的工作(無論是現(xiàn)在還是以前)都表明，原子承壓水與塊狀水的性質有很大不同。”例如，它具有強烈的層狀結構，具有不同的結構，并且表現(xiàn)出完全不同的介電性能。