冯建东、白宏震课题组JACS：非水纳米孔离子传输

纳米限域离子传输是实现自然界能量和物质传递的重要形式，其物理机制受“界面-尺度-结构”效应的复合调控，偏离经典连续性假设，从而引发多种独特传输现象。探究这些限域效应介导的流体行为、发展非连续描述模型，进而对流体行为进行精准预测与动态操控，一直是纳米流体学领域的研究热点之一，也为物质分离、能量转换、离子电路设计等提供前瞻性认知。长期以来，纳米限域离子传输研究集中于水体系，阐释在纳米（亚纳米）孔道内位阻效应、介电效应和静电作用等对离子能垒的调控和界面传输的影响。然而在非水体系中，某些影响因素（离子-离子、离子-界面静电作用等）会随溶液介电常数改变而发生显著变化，其介导的限域离子传输行为尚有待探究。

近日，浙江大学化学系冯建东、白宏震课题组联合生命科学院周如鸿教授课题组，成功将纳米限域离子传输研究拓展至非水体系（甲醇、乙醇等），首次在2.9至7.0纳米尺度的单层二硫化钼（MoS₂）孔道中实现了显著的、可控的非线性离子传输，系统阐释了介电常数对多尺度、多对象静电作用的影响及对界面离子传输的调控。这种“介电调制”（dielectric engineering）策略拓展了限域离子传输的调控维度，将非线性效应的发生尺度从亚纳米放大至纳米水平，从而为纳米流体学研究开辟了全新视野。

研究团队结合系统的实验测量与全原子分子动力学模拟，提出了可能的分子机制：低介电环境显著增强了离子与带电纳米孔壁之间的静电相互作用，这使得阳离子在通过孔道边缘时，在强烈的静电吸引下出现迁移速率的显著降低，而在较高的电场强度下，这种“减速效应”便造成了阳离子在界面的等效堆积。当堆积的阳离子所携带的正电荷超过了孔道边缘本身的负电荷时，就会发生“电荷反转”，即“过屏蔽”（overscreening）现象。这个过程会吸引阴离子，并加速其通过纳米孔，从而在宏观上表现出非线性的离子传输行为。该研究不仅建立了一个全新的限域离子传输调控维度——即通过改变溶剂的介电环境来直接调控静电作用尺度和离子流体行为，也为设计离子形态仿生器件提供了新思路。同时，非水体系的引入也将推动纳米孔传感技术的发展，为疏水性物质的单分子传感与分析奠定了理论和实验基础。

相关研究成果以“Nonaqueous Ion Transport through Nanopores: A Nonlinear Behavior Driven by Enhanced Ion Correlation”为题，发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society），浙江大学化学系博士生谭皓璟和谭天慧为该论文的共同第一作者。全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c04204

图文：冯建东教授课题组

编辑：黄珍珍  邹尔纯

审核：陆展