Two-Dimensional Graphene-Based Potassium Channels Built at an Oil/Water Interface

石墨烯 接口(物质) 材料科学 化学工程 复合材料 纳米技术 工程类 冶金 润湿 坐滴法
作者
Xiaoyuan Wang,Hongli Yang,Zhinong Yu,Zengtao Zhang,Yong Chen
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:16 (15): 5393-5393
标识
DOI:10.3390/ma16155393
摘要

Graphene-based laminar membranes exhibit remarkable ion sieving properties, but their monovalent ion selectivity is still low and much less than the natural ion channels. Inspired by the elementary structure/function relationships of biological ion channels embedded in biomembranes, a new strategy is proposed herein to mimic biological K+ channels by using the graphene laminar membrane (GLM) composed of two-dimensional (2D) angstrom(Å)-scale channels to support a simple model of semi-biomembrane, namely oil/water (O/W) interface. It is found that K+ is strongly preferred over Na+ and Li+ for transferring across the GLM-supported water/1,2-dichloroethane (W/DCE) interface within the same potential window (-0.1-0.6 V), although the monovalent ion selectivity of GLM under the aqueous solution is still low (K+/Na+~1.11 and K+/Li+~1.35). Moreover, the voltammetric responses corresponding to the ion transfer of NH4+ observed at the GLM-supported W/DCE interface also show that NH4+ can often pass through the biological K+ channels due to their comparable hydration-free energies and cation-π interactions. The underlying mechanism of as-observed K+ selective voltammetric responses is discussed and found to be consistent with the energy balance of cationic partial-dehydration (energetic costs) and cation-π interaction (energetic gains) as involved in biological K+ channels.

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