金屬碳納米管，突破！

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發(fā)布時間：2024-11-22
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純金屬碳納米管（CNTs）作為一種新型納米流體通道材料，因其卓越的分子傳輸性能正在科學(xué)界引發(fā)關(guān)注。近日，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員詳細(xì)探討了金屬型碳納米管在水、質(zhì)子及其他分子運(yùn)輸中的性能優(yōu)勢。這項(xiàng)研究通過實(shí)驗(yàn)和分子模擬揭示了金屬型CNT的電子特性如何增強(qiáng)分子傳輸效率，并分析了其在分離、能源和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

碳納米管是一種獨(dú)特的納米材料，其管狀結(jié)構(gòu)提供了極低摩擦的流體傳輸路徑。然而，不同類型的CNT在分子傳輸性能上存在顯著差異，特別是金屬型CNT與半導(dǎo)體型CNT之間。金屬型CNT因其高導(dǎo)電性和軸向極化率（αzz），展現(xiàn)出優(yōu)異的分子傳輸性能。研究顯示，金屬型CNT的零帶隙特性使其壁面對流體分子的電勢屏蔽效應(yīng)減弱，從而減少了摩擦阻力，提高了分子運(yùn)動效率。

實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)比較了（6,5）半導(dǎo)體型CNT和（7,4）金屬型CNT的水和質(zhì)子傳輸能力，發(fā)現(xiàn)金屬型CNT在水傳輸效率上提高了70%，在質(zhì)子傳輸效率上提升了32%。這些顯著差異的背后是金屬型CNT對分子傳輸路徑的獨(dú)特優(yōu)化，其電子特性使分子能夠以更低的能量代價通過納米孔道。

水分子傳輸：摩擦阻力顯著降低

水分子在金屬型CNT中的通透性（Pw值）顯著高于半導(dǎo)體型CNT。實(shí)驗(yàn)表明，金屬型CNT的水通透性達(dá)到3.2x10^-13cm³/s，比半導(dǎo)體型CNT高出約70%。這一優(yōu)勢主要?dú)w因于金屬型CNT內(nèi)壁的極化效應(yīng)。分子動力學(xué)模擬顯示，金屬型CNT壁面對水分子的極化作用更弱，使得水分子能夠以更高的速度通過納米管。這種減小的摩擦效應(yīng)源于CNT的電子特性，它減少了水分子和CNT壁面之間的相互作用力。

在實(shí)際應(yīng)用中，這種高效的水傳輸能力使金屬型CNT成為水處理和脫鹽膜的理想材料。傳統(tǒng)的聚合物膜由于孔隙不均勻和較高的流體摩擦，限制了傳輸效率。相比之下，金屬型CNT的結(jié)構(gòu)均一性和疏水性壁面顯著提高了水流速度，同時降低了能耗。

質(zhì)子傳輸

質(zhì)子傳輸是另一個關(guān)鍵領(lǐng)域，研究顯示金屬型CNT在質(zhì)子傳輸上的表現(xiàn)也優(yōu)于半導(dǎo)體型CNT。質(zhì)子的通透性在金屬型CNT中提高了32%，這一提升主要體現(xiàn)在質(zhì)子傳輸?shù)穆窂絻?yōu)化上。通過實(shí)驗(yàn)和模擬，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子在金屬型CNT內(nèi)可以通過更直線化的“質(zhì)子跳躍”路徑完成傳輸，這與Grotthuss機(jī)制密切相關(guān)。

Grotthuss機(jī)制描述了質(zhì)子通過連續(xù)氫鍵網(wǎng)絡(luò)傳遞的過程。金屬型CNT由于其高軸向極化率，能夠提供更穩(wěn)定的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，從而減少質(zhì)子遷移的能量障礙。這種優(yōu)化的傳輸路徑使金屬型CNT在燃料電池、離子交換膜等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，特別是在需要高效質(zhì)子導(dǎo)電的系統(tǒng)中。

金屬型CNT優(yōu)異的分子傳輸性能源于其電子極化效應(yīng)。CNT的電子特性直接影響分子與通道壁之間的相互作用。金屬型CNT的零帶隙結(jié)構(gòu)使其在分子傳輸過程中表現(xiàn)出極高的電導(dǎo)率，從而減小了壁面對分子的電勢屏蔽作用。這種特性不僅提高了水和質(zhì)子的傳輸效率，還使離子傳輸過程更加高效。

研究團(tuán)隊(duì)通過分子動力學(xué)模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了這一機(jī)制。他們發(fā)現(xiàn)，金屬型CNT內(nèi)分子的流動阻力顯著降低，尤其在高壓力差條件下表現(xiàn)出更加線性的流體速度曲線。這一發(fā)現(xiàn)為高效納米流體通道設(shè)計(jì)提供了新的理論依據(jù)。

潛在應(yīng)用領(lǐng)域：從水處理到能源技術(shù)

該研究揭示了金屬型CNT在分子傳輸中的優(yōu)越性能，為多個應(yīng)用領(lǐng)域提供了可能性。首先，在水處理和脫鹽領(lǐng)域，金屬型CNT的高水通透性可以顯著提高膜技術(shù)的效率，減少能源消耗并提升水凈化能力。這對于水資源匱乏地區(qū)尤為重要。

其次，金屬型CNT在燃料電池中的應(yīng)用潛力不容忽視。質(zhì)子傳輸?shù)男侍嵘龑τ谔岣呷剂想姵氐哪芰棵芏群凸ぷ餍手陵P(guān)重要。金屬型CNT的高質(zhì)子通透性為設(shè)計(jì)更高效、更穩(wěn)定的燃料電池提供了材料基礎(chǔ)。

此外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，金屬型CNT可以用于開發(fā)高精度分子分離裝置或藥物傳輸系統(tǒng)。其高選擇性和低摩擦的特性使其在模擬細(xì)胞膜和分子過濾方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。同時，在離子電導(dǎo)傳感器和環(huán)境檢測裝置中，金屬型CNT的快速響應(yīng)能力和高靈敏度可以實(shí)現(xiàn)更高效的檢測與監(jiān)控。

盡管本研究展示了金屬型CNT在分子傳輸中的顯著優(yōu)勢，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，如何在工業(yè)規(guī)模上實(shí)現(xiàn)高純度金屬型CNT的批量化生產(chǎn)是一個關(guān)鍵問題。此外，CNT的成本、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及環(huán)境友好性也是未來應(yīng)用中需要重點(diǎn)解決的難題。

研究團(tuán)隊(duì)建議，未來可通過優(yōu)化CNT的合成工藝，提高金屬型CNT的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時，將分子動力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，可以進(jìn)一步探索其他類型納米材料的分子傳輸特性，為更多高效分離和傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

總結(jié)

本研究通過對金屬型CNT的深入分析，揭示了其在分子傳輸中的巨大潛力。與半導(dǎo)體型CNT相比，金屬型CNT在水和質(zhì)子傳輸效率上展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其核心在于電子極化效應(yīng)對分子運(yùn)動的優(yōu)化。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了納米材料的研究視野，還為水處理、能源技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供了創(chuàng)新解決方案。未來，隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬型CNT有望在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，推動高性能納米材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

原文信息：Li, Y., Li, Z., Misra, R.P. et al. Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins. Nat. Mater. 23, 1123–1130 (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01925-w

信息來源：Carbontech

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