英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所(National Graphene Institute)的研究人员首次成功地制造出了只有一个原子大小的人造通道。新毛细血管非常像天然的蛋白质通道，比如水通道蛋白，它们足够小，可以阻挡钠离子和氯离子等最小离子的流动，但允许水自由流动。该结构不仅提高了我们对原子尺度上的分子输运，特别是生物系统中分子输运的基本认识，而且在海水淡化和过滤技术中具有理想的应用前景。研究小组组长安德烈·海姆爵士解释说：很明显，要使毛细血管的尺寸小于一个原子是不可能的，即使事后看来，我们的壮举也几乎是不可能的。
博科园–科学科普：仅仅在几年前，很难想象会有这么小的毛细血管。天然形成的蛋白质通道，如水通道蛋白，允许水快速渗透，但由于空间排斥性(尺寸)和静电斥力等机制，阻碍了大小超过7a的水合离子。研究人员一直试图使人造毛细血管像天然毛细血管一样工作，但尽管在制造纳米尺度的孔隙和纳米管方面取得了很大进展，但迄今为止，所有这些结构都比生物通道大得多。Geim和同事现在已经制造出了高度只有3.4 A左右的通道。这大约是最小水合离子的一半大小，比如K+和Cl-，它们的直径为6.6 a。这些通道的行为就像蛋白质通道一样，它们小到足以阻挡这些离子，但大到足以让水分子(直径约2.8 a)自由通过。
图片：University of Manchester
重要的是这种结构可以帮助开发低成本、高通量的海水淡化过滤器和相关技术——这是该领域研究人员的圣杯。研究人员将他们的发现发表在《科学》上，使用范德华组装技术制造了这种结构，也被称为“原子级乐高”，这是石墨烯研究的成果。从大块石墨中分离出厚度仅为50和200纳米的原子平面纳米晶体，然后将单层石墨烯薄片置于这些纳米晶体的表面，当类似的原子平面晶体随后被放置在两个晶体之间时，这些条带充当间隔。由此产生的三层组装可以看作是连接在中间平面空隙的一对边缘位错，这个空间只能容纳一层原子水。将石墨烯单层膜用作间隔层是第一次，这也是新通道不同于以往任何结构的原因。
曼彻斯特大学科学家们设计的二维毛细血管宽130纳米，长几微米。将其组装在氮化硅薄膜上，该薄膜将两个独立的容器分开，以确保通道是水和离子流动的唯一通道。到目前为止，研究人员只能测量流经毛细血管的水量，毛细血管的间隔要厚得多(大约6.7英尺高)。虽然他们的一些分子动力学模拟表明，较小二维空腔应该会因为范德华引力而坍塌，但其他的计算则指出，裂缝内的水分子实际上可以起到支撑作用，防止单原子高的裂缝(只有3.4英尺高)倒塌，这确实是曼彻斯特队在实验中发现。使用一种称为重力测量的技术测量了渠道中的水渗透率。
在这里让一个密封的小容器中的水完全通过毛细血管蒸发，然后我们精确地测量(以微克的精度)这个容器在几个小时内减轻了多少重量。为了做到这一点，研究人员同时建立了大量的通道(超过100个)来提高测量灵敏度。还使用较厚的顶部晶体来防止下垂，并剪断毛细血管的顶部开口(使用等离子蚀刻)，以消除任何潜在的堵塞，通过薄的边缘呈现在这里。为了测量离子流，通过施加电场迫使离子通过毛细血管，然后测量产生的电流。如果我们的毛细血管有两个原子那么高，发现小离子可以在毛细血管中自由移动，就像在大水中一样，相比之下，没有离子能通过我们最终的原子小通道。
唯一的例外是质子，它们被认为是真正的亚原子粒子在水中移动，而不是包裹在直径几埃的相对较大的水化壳中的离子。因此，通道阻挡了所有的水合离子，但允许质子通过。由于这些毛细血管的行为方式与蛋白质通道相同，它们对于更好地理解水和离子在分子尺度上的行为将是重要的——就像在埃尺度的生物过滤器中那样。研究工作(包括现在和以前的工作)表明，原子限制水与散装水的性质有很大的不同，例如，它变得很有层次感，有不同的结构，表现出完全不同的介电性质。
博科园-科学科普｜Ben Robinson, University of Manchester
研究/来自：曼彻斯特大学
参考期刊文献:《科学》
DOI: 10.1126/science.aan0877
