由于超高的能量功率密度和滑移長度，流體和離子在納米管或納米通道中的傳輸引起了極大的關(guān)注，在水凈化、海水淡化、能量轉(zhuǎn)換甚至基于離子的神經(jīng)形態(tài)計算中都有應(yīng)用。對單個納米管或納米通道的研究對于揭示基本機制以及明確證明該特性至關(guān)重要。令人驚訝的是，雖然碳納米管是納米流體學(xué)的先驅(qū)和最具吸引力的系統(tǒng)之一，但缺乏對其在滲透強迫下的響應(yīng)和性能的研究。在這里，我們測量了內(nèi)半徑為 2.3 nm 的單個雙壁碳納米管的滲透能量轉(zhuǎn)換。通過使用光刻技術(shù)制造納米流體裝置，我們發(fā)現(xiàn)了巨大的功率密度（高達(dá) 22.5 kW/m
2 ) 用于輸送 KCl、NaCl 和 LiCl 溶液通過管道。進一步的實驗表明，這種非凡的性能源于超高的滑移長度（高達(dá)幾微米）。我們的結(jié)果表明，碳納米管不僅是超快傳輸?shù)牧己煤蜻x者，而且是鹽度梯度下滲透能量收集的良好候選者。
Fig 1. (a)聚焦離子束 (FIB) 精密蝕刻技術(shù)去除了 CNT 的暴露部分，并在連接兩個微通道的環(huán)氧樹脂壁下方打開了 CNT 的兩端。示意圖中，硅為黑色，氧化硅為紫色，SU-8光刻膠為棕色。碳納米管是一種黑色的卷網(wǎng)。放大的插圖顯示了打開的 CNT 的細(xì)節(jié)。(b) PDMS 在浸入 ATPES 水溶液后結(jié)合在 SU-8 微通道上。然后組裝進液管和出液管以及 Ag/AgCl 電極。在示意圖中，PDMS 呈玻璃狀透明灰色。(c)掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像顯示 CNT 穿過 SU-8 光刻膠壁。單個CNT的位置如圖中紅色箭頭所示。(d)單個碳納米管納米流控芯片的測量原理示意圖。紅色和藍(lán)色球體分別代表陽離子和陰離子。
Fig 2. (a)單個 CNT 的 AFM 掃描圖像。比例尺：100 nm。(b)TEM圖像顯示單個CNT為雙壁管，外徑為5.3 nm，內(nèi)徑為4.6 nm。比例尺：5 nm。(c) ( a )中虛線位置對應(yīng)的橫截面顯示CNT的外徑約為6nm。(d)碳納米管的拉曼光譜，D峰的消失說明沒有缺陷，G峰的形狀表明該碳納米管屬于半導(dǎo)體管。
Fig 3. (a)具有 KCl（黑色）、NaCl（紅色）和 LiCl（藍(lán)色）的單個 CNT 納米通道的滲透流與濃度比。誤差棒源自實驗測量的滲透電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差。(b)三種溶液的傳輸系數(shù)K osm作為濃度比的函數(shù)。(c、d)相應(yīng)產(chǎn)生的滲透凈功率 ( c ) 和單孔功率密度 ( d ) 與濃度比。
Fig 4. 對于單個碳納米管納米通道，(a – c)顯示了在不同溶液濃度下用 ( a ) KCl、( b ) NaCl 和 ( c ) LiCl 記錄的I-V曲線。(d)納米通道離子電導(dǎo)率、€電導(dǎo)率和(f)電導(dǎo)率增強作為 KCl、NaCl 和 LiCl 溶液濃度的函數(shù)。
Fig 5. (a)有效滑移長度
beff隨 KCl、NaCl 和 LiCl 溶液濃度的變化。插圖：所考慮幾何體的草圖。移動吸附離子以紫色繪制，而大量離子分別以紅色和藍(lán)色表示正電荷和負(fù)電荷。b水滑長度。b
0=lim(Cs→0)。
相關(guān)研究工作由清華大學(xué)Ming Ma課題組于2023年在線發(fā)表在《Nature Communications》期刊上，原文：Enhanced osmotic transport in individual double-walled carbon nanotube。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
