由于超高的能量功率密度和滑移长度，流体和离子在纳米管或纳米通道中的传输引起了极大的关注，在水净化、海水淡化、能量转换甚至基于离子的神经形态计算中都有应用。对单个纳米管或纳米通道的研究对于揭示基本机制以及明确证明该特性至关重要。令人惊讶的是，虽然碳纳米管是纳米流体学的先驱和最具吸引力的系统之一，但缺乏对其在渗透强迫下的响应和性能的研究。在这里，我们测量了内半径为 2.3 nm 的单个双壁碳纳米管的渗透能量转换。通过使用光刻技术制造纳米流体装置，我们发现了巨大的功率密度（高达 22.5 kW/m² ) 用于输送 KCl、NaCl 和 LiCl 溶液通过管道。进一步的实验表明，这种非凡的性能源于超高的滑移长度（高达几微米）。我们的结果表明，碳纳米管不仅是超快传输的良好候选者，而且是盐度梯度下渗透能量收集的良好候选者。

 
Fig 1. (a)聚焦离子束 (FIB) 精密蚀刻技术去除了 CNT 的暴露部分，并在连接两个微通道的环氧树脂壁下方打开了 CNT 的两端。示意图中，硅为黑色，氧化硅为紫色，SU-8光刻胶为棕色。碳纳米管是一种黑色的卷网。放大的插图显示了打开的 CNT 的细节。(b) PDMS 在浸入 ATPES 水溶液后结合在 SU-8 微通道上。然后组装进液管和出液管以及 Ag/AgCl 电极。在示意图中，PDMS 呈玻璃状透明灰色。(c)扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示 CNT 穿过 SU-8 光刻胶壁。单个CNT的位置如图中红色箭头所示。(d)单个碳纳米管纳米流控芯片的测量原理示意图。红色和蓝色球体分别代表阳离子和阴离子。

 
Fig 2. (a)单个 CNT 的 AFM 扫描图像。比例尺：100 nm。(b)TEM图像显示单个CNT为双壁管，外径为5.3 nm，内径为4.6 nm。比例尺：5 nm。(c) ( a )中虚线位置对应的横截面显示CNT的外径约为6nm。(d)碳纳米管的拉曼光谱，D峰的消失说明没有缺陷，G峰的形状表明该碳纳米管属于半导体管。

 
Fig 3. (a)具有 KCl（黑色）、NaCl（红色）和 LiCl（蓝色）的单个 CNT 纳米通道的渗透流与浓度比。误差棒源自实验测量的渗透电流的标准偏差。(b)三种溶液的传输系数K osm作为浓度比的函数。(c、d)相应产生的渗透净功率 ( c ) 和单孔功率密度 ( d ) 与浓度比。

 
Fig 4. 对于单个碳纳米管纳米通道，(a – c)显示了在不同溶液浓度下用 ( a ) KCl、( b ) NaCl 和 ( c ) LiCl 记录的I-V曲线。(d)纳米通道离子电导率、€电导率和(f)电导率增强作为 KCl、NaCl 和 LiCl 溶液浓度的函数。

 
Fig 5. (a)有效滑移长度b_eff随 KCl、NaCl 和 LiCl 溶液浓度的变化。插图：所考虑几何体的草图。移动吸附离子以紫色绘制，而大量离子分别以红色和蓝色表示正电荷和负电荷。b水滑长度。b₀=lim(Cs→0)。
   
     相关研究工作由清华大学Ming Ma课题组于2023年在线发表在《Nature Communications》期刊上，原文：Enhanced osmotic transport in individual double-walled carbon nanotube。

转自《石墨烯研究》公众号