Anomalous water molecular gating from atomic-scale graphene capillaries for precise and ultrafast molecular sieving

石墨烯 膜 材料科学 化学物理 化学工程 离子 分子动力学 扩散 分子扩散 纳米技术 化学 热力学 有机化学 计算化学 运营管理 公制(单位) 经济 工程类 物理 生物化学
作者
Qian Zhang,Bo Gao,Ling Zhang,Xiaopeng Liu,Jixiang Cui,Yijun Cao,Hongbo Zeng,Qun Jie Xu,Xinwei Cui,Lei Jiang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1): 6615-6615 被引量:24
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42401-4
摘要

Abstract Effective ion sieving demands reduction of pore size, which inevitably hinders water flux in hydrophilic membranes, posing a major challenge for precise and ultrafast molecular sieving. Herein, we introduce anomalous liquid gating from nanofiltration membranes full of graphene capillaries at 6 Å with a contact angle of 84°, fabricated from spontaneous restacking of island-on-nanosheet microstructure. We found that ion diffusion driven by osmosis could be suppressed to negligible levels (~ 10− 4 mol m-2 h-1); unexpectedly, ultrafast bulk flow of water (45.4 L m-2 h-1) was still functional with ease, as gated on and off by adjusting hydrostatic pressure differences only in 10− 2 bar. We attribute this to graphene nanoconfinement effect, where confined crystal-like water hinders diffusion under osmosis but facilitates high-speed, diffusion-free water transport in the way analogous to Newton’s cradle-like Grotthus conduction. This strategy establishes liquid-solid-liquid, phase-changing molecular transport, beneficial to resolving long-suffering troubles in conventional realms of molecular sieving.
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