隨著工業(yè)和生活需求的不斷增加，對(duì)高效分子傳輸和分離技術(shù)的需求越來(lái)越迫切。傳統(tǒng)的膜分離技術(shù)在水處理、藥品制備、能源生產(chǎn)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但其效率和選擇性仍然面臨挑戰(zhàn)。為了提高膜分離技術(shù)的效率，應(yīng)對(duì)更廣泛的工業(yè)分離挑戰(zhàn)，科學(xué)家迫切需要深入了解膜傳輸機(jī)制，開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的膜材料。

在這些材料中，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性能，二維納米片材料引起了科學(xué)家的高度關(guān)注。石墨烯、MXene等二維材料具有較大的側(cè)面面積和較厚的原子級(jí)，這使得它們成為構(gòu)建高效膜分離材料的理想選擇。這些材料具有可調(diào)的間隙孔徑和表面化學(xué)性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、有選擇的質(zhì)量傳遞，從而在氣體分離、離子選擇、水淡化、凈化等領(lǐng)域展現(xiàn)潛在的發(fā)展前景。

但是，盡管二維納米片材料具有很大的潛力，但是在特定的分離過(guò)程中應(yīng)用它仍然面臨許多挑戰(zhàn)。當(dāng)前，對(duì)這種復(fù)雜的納米通道中液體傳輸系統(tǒng)的了解還不夠，這限制了對(duì)特定分離膜的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。另外，隨著膜孔徑的不斷縮小，在溶劑傳輸過(guò)程中，表面-液體的相互作用可能會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，但目前對(duì)這方面的研究仍然有限。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些科學(xué)家開(kāi)始研究二維納米片材料的膜結(jié)構(gòu)及其在分離過(guò)程中的性能。他們?cè)噲D理解納米通道中的溶劑傳輸機(jī)制，并開(kāi)發(fā)新的模型來(lái)準(zhǔn)確描述溶劑通量。然而，目前對(duì)復(fù)雜納米通道中溶劑傳輸系統(tǒng)的研究仍然有限，尤其是異質(zhì)通道膜的研究尚未報(bào)道。

面對(duì)這個(gè)挑戰(zhàn)，Kostyaa，南京工業(yè)大學(xué)陸小華，新加坡國(guó)立大學(xué)功能智能材料研究所 S. Novoselov教授(2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者)和莫納什大學(xué)化學(xué)與生物工程系王煥庭院士等人在“Science Advances《期刊》發(fā)表了題為“Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes”的論文。

本研究旨在解決薄膜中復(fù)雜的納米通道溶劑傳送機(jī)制問(wèn)題，用于二維納米片材料建造。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論模擬，作者合成了由復(fù)原MXene和石墨烯組成的亞納米異質(zhì)通道膜，探索其結(jié)構(gòu)和液體傳輸速度。通過(guò)對(duì)這些薄膜性能的分析，作者開(kāi)發(fā)了一種新型的亞連續(xù)流模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)溶劑通量，并建立了溶劑分子與通道壁相互作用的直接影響。作者的研究為二維納米片材料的膜設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了新的思路和方法，為實(shí)現(xiàn)更加有效的分離過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。

/ 研究亮點(diǎn) /

1. 異質(zhì)通道膜設(shè)計(jì)：通過(guò)生成MXene/graphene異質(zhì)通道膜，研究人員創(chuàng)造了一種新型的亞納米孔膜結(jié)構(gòu)，為納米片基膜領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。

2. 高通溶劑傳輸:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這些亞納米通道膜在完全拒絕鹽和有機(jī)染料的同時(shí)，呈現(xiàn)出極高的溶劑通量，為提高膜分離效率提供了新的途徑。

3. 理解溶劑傳送機(jī)制:研究人員提出了亞連續(xù)流模型，建立了溶劑分子與通道壁相互作用和溶劑通量之間的直接影響，對(duì)亞納米尺度下的溶劑傳送機(jī)制進(jìn)行了深入探討。

4. 流體參數(shù)建模：通過(guò)這種模式，研究人員可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)膜通量，這為納米片基膜的設(shè)計(jì)和推廣提供了重要的理論指導(dǎo)。

5. 異質(zhì)膜與同源膜的對(duì)比:研究表明，異質(zhì)通道膜的溶劑傳輸行為與同源結(jié)構(gòu)的膜有顯著差異，為納米通道中的液體行為提供了一個(gè)新的視角。

6. 新膜材料的應(yīng)用潛力：通過(guò)對(duì)MXene/graphene異質(zhì)通道膜的分析，展示了這種新型膜材料在水淡化、有機(jī)溶劑分離等方面的廣泛應(yīng)用價(jià)值。

/ 圖文導(dǎo)讀 /

圖1. 亞納米異質(zhì)通道膜的表征，由替代堆疊的MXene(Ti3C2)和石墨烯組成。

圖2. 通過(guò)Ti3C2-石墨烯異質(zhì)通道膜溶劑的透水性。

圖3. 亞納米異質(zhì)通道對(duì)溶劑通量的影響。

圖4. 對(duì)不同構(gòu)成膜中溶劑滲透的表層限制。

圖5. 模型預(yù)測(cè)的通量與流體參數(shù)有關(guān)。

/ 總結(jié)展望 /

這篇文章揭示了亞納米級(jí)間隙膜溶劑滲透行為的復(fù)雜性，并提出了一種新的子連續(xù)流模型來(lái)解釋這種現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)不同流體參數(shù)(如平均密度、粘度和移動(dòng)長(zhǎng)度)在約束下的影響進(jìn)行深入研究，研究人員透露，液體行為在極端約束環(huán)境下與正常情況下有顯著差異。它為亞納米級(jí)間隙膜的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要的理論指導(dǎo)，可以進(jìn)一步促進(jìn)納米技術(shù)在分離和凈化方面的應(yīng)用。

另外，本文為溶劑滲透提供了一個(gè)全面的理論框架，通過(guò)建立子連續(xù)流模型，并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)論的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。該模型考慮了不同流動(dòng)模式下的初始條件，為進(jìn)一步研究和預(yù)測(cè)亞納米級(jí)間隙膜的性能提供了有力的工具，從非連續(xù)流動(dòng)到連續(xù)流動(dòng)提供了完整的描述。通過(guò)這一理論模型的建立，科學(xué)家可以更好地了解和預(yù)測(cè)納米膜的性能，為其在水處理、溶劑分離等領(lǐng)域的應(yīng)用提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)，從而促進(jìn)納米技術(shù)在環(huán)保和資源開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用和發(fā)展。

原文信息：Xiaofang Chen et al. ,Accurate prediction of solvent flux in sub–1-nm slit-pore nanosheet membranes. Sci. Adv.，(2024).DOI:10.1126/sciadv.adl1455

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