研究人员在石墨烯片(紫色)上构造了孔，然后把它放在氮化硅层(蓝色)上，氮化硅已被离子束穿透。这允许特定的水合离子通过，水合离子四周由水分子构成外壳。

(图片来源:麻省理工学院/ Jose-Luis Olivares)

单个细胞表面包含数百个细小的孔，或称离子通道，每个通道通过特定离子。离子通道通常约1nm宽；通过维持粒子平衡，保持细胞健康和稳定。

现在麻省理工学院(MIT)的研究人员在单层石墨烯上制备了微孔，具有选择性和一些特性，类似于活细胞离子通道。

每个石墨烯孔宽度小于2纳米，使它们成为有史以来科学家们用来研究离子流动的最小孔。每个孔也具有独特的选择性，优先输送某种离子穿过石墨烯层。

“我们看到的是，这些孔的传输特性具有多样性，意味着调整这些孔用于不同的应用或选择性有很大的潜力，”麻省理工学院的机械工程副教授RohitKarnik说。

Karnik说石墨烯纳米孔可用于传感器，如检测汞和钾离子或溶液中的氟化物。这种离子选择性膜也可被用在矿业：未来，有可能制备出能够从其他银和铝金属离子中筛选出微量的金离子石墨烯纳米孔。

Karnik和前研究生Tarun Jain以及来自麻省理工学院Benjamin Rasera，Ricardo Guerrero，Michael Boutilier，Sean O’Hern和橡树岭国家实验室Juan-Carlos Idrobo等人，把结果发表在《Nature Nanotechnology》期刊中。

动态特性

在活细胞中，离子通道多样性可通过尺寸和精确的原子通道排列调整实现，离子通道略小于流过它们的离子。

“当纳米孔小于水合离子的尺寸时，然后你会看到有趣的行为出现，”Jain说。

特别是，水合离子或溶液中的粒子，根据其电荷被水分子围绕着。水合离子是否可以穿过给定的离子通道，取决于原子尺度上通道尺寸的大小和排布。

Karnik认为石墨烯将是一种合适用来制备人工离子通道的材料：石墨烯片是一个原子厚的超薄碳原子晶格，所以在石墨烯上的孔被定义在原子尺度。

为了在石墨烯中形成孔洞，研究小组采用化学汽相沉积的方法，这一过程通常用于生产薄膜。在石墨烯中，该工艺会自然地产生微小的缺陷。研究人员利用该工艺在不同石墨烯片上生成纳米级尺寸的孔，类似超薄瑞士奶酪。

研究人员然后通过将每层石墨烯放在离子束穿透的氮化硅上孤立单个孔，穿透孔的直径略小于石墨烯孔之间的距离。研究小组认为，任何流过两结构层的离子可能会首先通过一个石墨烯孔，然后通过较大的氮化硅孔。

研究小组测定了五种不同盐离子通过石墨烯片的行为，通过施加电压并测量通过孔的电流。电流-电压测量结果在孔与孔和离子与离子之间差别很大，一些孔保持稳定，而一些孔的电导上下震荡，表明了不同的孔使某种离子通过的行为不同。

“从照片上可以看出，每个孔都是不同的，是动态的，”Karnik说。“每个孔开始发挥自己的特性。”

新的前沿

Karnik和Jain然后开发了一个模型来解释测量结果，并根据测量结果，使用该模型推测孔隙的大小。基于该模型，他们发现许多孔的直径低于1nm，而考虑到石墨烯的单原子厚度，使它们成为科学家用于研究离子流动行为最小的孔。

利用这个模型，研究小组计算了各种因素对孔行为的影响，并发现观察到孔行为由三个主要特性决定：孔的尺寸、电荷和沿孔长度方向的电荷位置。

知道了这一点，研究人员未来能够在纳米尺度上调整孔并制备离子膜，用于如环境遥感和微量金属采矿业等应用。

“理解膜技术和超薄材料中穿越小孔的行为，是一种新的前沿，”Karnik说。

新材料在线编译整理——翻译：Grubby    校正：摩天轮