具有功能化纳米通道的令人惊讶的离子和流动行为

纳米通道在生物医学、传感和许多其他领域都有重要的应用。尽管在纳米技术领域工作的工程师多年来一直在制造这些微小的管状结构，但对其特性和行为仍有很多未知。

现在，马里兰大学机械工程副教授 Siddhartha Das 和他的一组博士。学生们在ACS Nano杂志上发表了令人惊讶的新发现。使用原子级模拟，Das 和他的团队能够证明电荷特性以及功能化纳米通道内的电荷诱导流体流动并不总是如预期的那样。

“我们发现了通过用带电聚合物分子(也称为聚电解质或 PE)接枝其内壁来功能化纳米通道的新背景，”Das 说，指的是将聚合物或其他物质接枝到纳米通道上以引起它以某种方式发挥作用。“纳米通道的功能化并不新鲜。但我们已经提出了范式转变，以了解此类系统在其电荷特性及其调节流体流动能力的背景下的行为和特性。

“例如，”Das 说，“我们在这种功能化的纳米通道中发现了一种新型的流动行为;通过增加施加在纳米通道上的电场强度，这种电场驱动的流动方向(通常称为作为电渗流)可以逆转。”

Das 和他的学生的论文详细介绍了三个具体的发现。首先，他们表明，当聚电解质 (PE) 以层的形式接枝在纳米通道的内壁上时，该 PE 层将在某些条件下发生令人惊讶的电荷逆转。通常，如果负 PE 分子已连接到纳米通道，则附近的 PE 层应具有净负电荷。然而，Das 和他的学生发现，由于层内吸引了更多数量的正离子(比屏蔽 PE 层的电荷所需的数量更多)，因此层内的电荷反转并且层内的净电荷为正电荷——这种现象被称为“过度筛选”。

然后，该团队研究了这种过筛如何影响纳米通道内的外部电场驱动流(称为电渗流或 EOS 流)。他们惊奇地发现，在这种情况下，流动是由与接枝到通道壁上的 Pes 具有相同电荷的离子驱动的。因此，带负电荷的聚合物在其附近产生净正场，但流动是由负离子驱动的。

“我们称之为‘共离子驱动电渗透’，我们的论文标志着这种现象第一次被发现，”达斯说。

最后，该团队展示了增加电场强度的意外结果：附着在纳米通道上的 PE 分子变形，导致过筛的离子开始从 PE 层逸出。这会导致过筛停止，并且还会反转通道中的流动方向：例如，如果它从左向右移动，则它会从右向左移动。“没有人预测到这一点，”达斯说。

Das 说，这些发现意义重大，因为对纳米通道的大部分兴趣都与它们传输分子的能力有关。“由于流动如此重要，这一领域的新发现使我们能够建立在我们对纳米通道如何工作以及我们可以用它们做什么的理解的基础上，”达斯说。“还有其他逆转流动的方法，但直到现在还不知道我们可以通过增加场强来实现这一点。”

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