Theoretical framework for confined ion transport in two-dimensional nanochannels

离子 化学物理 溶剂化壳 扩散 材料科学 热扩散率 单原子离子 纳米流体学 分子动力学 石墨烯 纳米技术 离子运输机 化学 热力学 溶剂化 计算化学 物理 有机化学
作者
Shouwei Liao,Yanchang Liu,Libo Li,Li Ding,Yanying Wei,Haihui Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 6675-6675 被引量:13
标识
DOI:10.1038/s41467-025-61735-9
摘要

Quantitative understanding of ion transport mechanism is crucial for numerous applications of two-dimensional (2D) nanochannels, but is far from being resolved. Here, we formulated a theoretical framework for both self-diffusion and electromigration of hydrated monatomic ions in various 2D nanochannels (e.g. graphene, h-BN, g-C3N4, MoS2), by molecular dynamics simulations. The self-diffusivity and mobility of ions in 2D nanochannels both increases linearly with ion-wall distance for small hydrated ions, yet keeps constant for large ones. The underlying mechanism reveals that when ions approach water-layers in nanochannels or possess large hydration shell, their hydration shells become severely distorted. This increases the free energy difference between hydration shell and the surrounding water-layers, water residence time in hydration shell and ion-water friction. Several involving quantitative relations were revealed, with Nernst-Einstein relation validated with both simulations and theoretical derivation. This work shows profound implications for various applications, including ion-sieving, nanodevices and nano-power generators, etc.
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