美国麻省理工学院（MIT）的工程师日前研制出一种微型碳纳米通道，并使用该通道成功地观察到单一离子的运动。该碳纳米管通道有望在单一分子水平上的化学反应研究以及海水淡化系统中高灵敏探测器方面实现应用。研究成果发表在9月10日的《科学》杂志上。

 

科学家在这项研究中发现，盐水中的钠离子和氯离子不但能够快速通过碳纳米管，而且在某些条件下，这两种离子还能一个接一个地移动，就像人轮流通过独木桥一样。

 

现有的一些纳米级通道，比如常用的硅基纳米孔，其适用的分子只有像DNA或者聚合物这样的大分子，稍小一点的分子会因为移动速度太快而来不及检测。而这种新型纳米级通道的长度大约是现有的纳米级通道长度的2万倍，它能允许更小的分子通过，而且分子可移动的距离也更长（达到0.5毫米）。

 

研究人员在一块1cm²大小面积的方形板上生长出碳纳米管，并用其将两个储水槽连接，从而形成一个碳纳米通道。每个水槽里各放一根电极，一正一负。因为当质子（带正电荷的氢离子）从一根电极游离到另一根时，会有直流电产生，研究人员便可根据电流轻而易举地判断是否有离子通过纳米管。

 

通过实验，科学家检测到质子稳定地通过了纳米管，产生了直流电。同时，他们发现，当电场强度足够大时，其他正离子，比如钠离子，也可通过纳米管，但因为钠离子比氢离子要大很多，其完全通过所需要的时间也要多一些。钠离子在通过纳米管的同时会阻碍氢离子的移动，从而对直流电起到短暂干扰作用，与库尔特效应描述的一样。

 

目前只有正离子能通过这种新型的纳米通道，不过研究人员认为这是因为通道的末端存在吸引正离子的负电荷导致的。研究人员下一步希望构造出能够让负离子通过的碳纳米通道，然后将两者结合应用于海水淡化。

 

此外，由于科学家在室温下使用该碳纳米通道成功地观察到了单个离子的移动，因此，这种新型碳纳米通道在检测饮用水中砷和汞方面的应用也将有很好的前景。（科学网 张笑/编译）

 

相关仪器：电子束蒸发器  低噪音膜片钳放大器  PGSTAT30恒电位仪  扫描电镜  能量色散型X射线荧光光谱仪

 

完成人：迈克尔•斯特拉诺课题组

 

实验室：美国麻省理工学院化学工程系、机械工程系