用二维材料控制水摩擦指向“智能膜”
在许多基于膜的工业过程中，水流速度是一个限制因素，包括海水淡化、分子分离和渗透发电。
曼彻斯特大学国家石墨烯研究所 (NGI) 的研究人员在Nature Communications 上发表了一项研究，表明当水通过由石墨烯制成的纳米级毛细管时，摩擦会显着降低，而六方氮化硼 (hBN) 则具有与石墨烯相似的表面形貌和晶体结构——显示出高摩擦力。
该团队还证明，可以通过用石墨烯覆盖高摩擦力 hBN 通道来选择性地控制水流速度，从而大大提高所谓的“智能膜”的渗透率和效率。
快速和选择性的流体流动在自然界中很常见——例如，在称为水通道蛋白的蛋白质结构中，它在动物和植物的细胞之间运输水。然而，快速水流穿过原子平面的精确机制尚不完全清楚。
由 Radha Boya 教授领导的曼彻斯特团队的调查表明，与普遍认为所有疏水的原子平面应为水流提供很小摩擦的普遍看法相反，实际上摩擦主要受静电控制流动分子与其限制面之间的相互作用。
该研究的第一作者 Ashok Keerthi 博士说：“虽然 hBN 具有与石墨烯和二硫化钼相似的水‘润湿性’，但令我们惊讶的是，水的流动完全不同。有趣的是，粗糙的石墨烯表面几乎没有埃深的凹痕/阶地，或原子波纹状的二硫化钼表面，不会阻碍纳米通道中的水流。”
因此，原子级光滑的表面并不是石墨烯上无摩擦水流的唯一原因。相反，流动的水分子和受限的二维材料之间的相互作用在将摩擦传递给纳米通道内的流体传输方面起着至关重要的作用。
博雅教授说：“我们已经证明，出口处覆盖有石墨烯的纳米通道显示出增强的水流。这对于增加来自膜的水通量非常有用，尤其是在涉及蒸发的那些过程中，例如蒸馏或热脱盐。 ”
了解液体摩擦和与孔隙材料的相互作用对于开发用于储能和海水淡化等应用的高效膜至关重要。
这项最新研究增加了 NGI 研究人员越来越有影响力的工作，因为曼彻斯特巩固了其在纳米流体研究前沿的地位，以改善废水处理、制药生产和食品饮料等行业的工业应用。
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2021-06-15
