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2019年1月11日，国际顶级学术期刊Science在线发表了西南交通大学与曼彻斯特大学合作研究成果“Complete steric exclusion of ions and proton transport through confined monolayer water”（狭窄单层水通道中质子传输与全尺寸离子位阻效应）。该成果由诺贝尔物理学奖获得者、我校荣誉教授、曼彻斯特大学教授Sir Andre Geim引领，我校材料科学与工程学院（材料先进技术教育部重点实验室）杨倩博士参与共同完成。这是杨倩博士参与工作发表的第三篇Science文章。
生物薄膜允许水分子畅行无阻地通过，但能够有效阻挡包括K+和Na+在内的非常小的离子，隐藏在这种精确分离性能背后的是具有埃级别的精细限域结构。尽管近年来关于纳米或亚纳米级别孔或通道的报道层出不穷，包括碳纳米管或氮化硼纳米管、氧化石墨烯薄膜层间通道、单层石墨烯或MoS2上的纳米级别孔洞等。这些通道都能在一定程度上除去特定离子，比如尺寸较大的离子或电负性的离子，但都并不能真正达到生物蛋白通道所具有的对离子的完全位阻效应。而除掉水中诸如Cl-、K+和Na+等小离子在海水淡化领域至关重要，也将有助于增强我们对生物细胞中分子传输过程的理解。
该工作基于石墨烯独特结构，发展了一种单原子级别二维限域通道，可以实现单层水分子的选择性通过，而通过尺寸位阻效应分离排除了除质子之外的所有其他离子。该工作在前期范德华组装技术基础上，通过将采用机械剥离法得到的二维材料通过层层堆积的方式进行组装，得到了高度仅为0.34 nm的传输通道。这种通道相当于从三维材料中抽取一个单原子层后保留下来的二维通道，具有原子级别的高度和光滑的表面。由于最小的水合离子，譬如K+和Cl-，直径约为0.66 nm，而水分子的有效直径约为0.28 nm，因此这种独特的孔道结构可以保证单层水分子选择性通过，而其它所有的离子都被拒之门外。
此前的工作（Science,2017, 358, 511-513）曾报道了两个原子层厚度的类似通道，通道高度约为6.7埃；在这种通道中水合离子可以通过挤压或脱掉水合层的方式进入通道进行传输。而此次最新建立的单原子层高度通道则能够完全阻隔任何水合离子的传输，从而加深我们对原子级别空间内分子传输过程的理解，甚至有助于推进仿生方向的发展，而这也是这篇文章的重大进展所在。
来源：科学技术发展研究院
作者：铁怀江
本期编辑：交大新媒体中心 安然
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