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Beyond steric selectivity of ions using ångström-scale capillaries

选择性 离子 位阻效应 化学物理 范德瓦尔斯力 化学 离子键合 纳米孔 表面电荷 纳米技术 材料科学 分子 物理化学 立体化学 有机化学 催化作用
作者
Solleti Goutham,Ashok Keerthi,Abdulghani Ismail,Ankit Bhardwaj,Hossein Jalali,Yi You,Yiheng Li,Nasim Hassani,Haoke Peng,Marcos Vinicius Surmani Martins,Fengchao Wang,M. Neek-Amal,Boya Radha
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:18 (6): 596-601 被引量:73
标识
DOI:10.1038/s41565-023-01337-y
摘要

Ion-selective channels play a key role in physiological processes and are used in many technologies. Although biological channels can efficiently separate same-charge ions with similar hydration shells, it remains a challenge to mimic such exquisite selectivity using artificial solid-state channels. Although there are several nanoporous membranes that show high selectivity with respect to certain ions, the underlying mechanisms are based on the hydrated ion size and/or charge. There is a need to rationalize the design of artificial channels to make them capable of selecting between similar-sized same-charge ions, which, in turn, requires an understanding of why and how such selectivity can occur. Here we study ångström-scale artificial channels made by van der Waals assembly, which are comparable in size with typical ions and carry little residual charge on the channel walls. This allows us to exclude the first-order effects of steric- and Coulomb-based exclusion. We show that the studied two-dimensional ångström-scale capillaries can distinguish between same-charge ions with similar hydrated diameters. The selectivity is attributed to different positions occupied by ions within the layered structure of nanoconfined water, which depend on the ion-core size and differ for anions and cations. The revealed mechanism points at the possibilities of ion separation beyond simple steric sieving.
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