扫描透射电镜、 AFM 等技术揭示电场原位制造高选择性离子膜机制！

【研究背景】

随着纳米技术的快速发展，纳米级孔的制造和应用引起了广泛关注。离子选择性膜在生物、能源和计算系统中发挥着至关重要的作用，然而，制造具有高选择性和通透性的固态超薄膜仍面临巨大挑战。传统方法中，虽然电子辐射、离子辐射和氧气等离子体蚀刻可以制造亚纳米级孔，但这些技术往往面临仪器复杂性、孔径变异大以及膜的选择性不足等问题。此外，现有的方法主要针对单层二维材料，限制了膜的性能和应用范围。

纳米孔膜的性能常常受到孔径分布、孔密度和膜厚度的限制。尤其是在分离具有相似大小和相同电荷的离子时，现有膜的选择性仍然不够理想。这一问题对离子分离、资源回收以及水处理等领域具有重要影响。为了提高选择性，研究者们尝试通过引入活性元素或改进材料设计，但这些方法仍存在许多局限性，如离子选择性不足、膜的稳定性差等。

为解决这些问题，芝加哥大学Pritzker分子工程学院刘翀助理教授提出了利用远程电场进行原位孔制造的方法。这种方法利用了少层多晶MoS2中的晶界，通过施加横向电场来制造高密度（亚）纳米孔。研究显示，该方法能够在MoS2薄膜中实现直径从<1纳米到约4纳米的孔径调节，孔扩展速度可达约0.2纳米²/s。

本研究通过这一新方法，研究人员在超薄膜中实现了高选择性和高通透性的离子分离，尤其在单价离子（如K+、Na+和Li+）以及双价离子（如Mg2+和Ca2+）的分离中表现优异。分子动力学模拟进一步揭示了阳离子与孔内缓慢水分及阳离子-阴离子相互作用的独特机制，解释了为何这种膜在离子选择性上优于现有二维材料膜。

【表征亮点】

（1）实验首次在少层多晶MoS2中采用原位施加远程电场的方法制造了高密度（亚）纳米孔膜，孔径可调范围从<1纳米到约4纳米。这种方法利用了MoS2中的晶界，通过电场的静电和电化学效应实现了纳米孔的精准控制。

（2）实验通过施加横向电场在MoS2薄膜上生成纳米孔，孔的扩展速率为约0.2纳米²/s，允许对孔径进行亚纳米精度的调节。结果表明，这些纳米孔膜在单价离子（如K+、Na+、Li+）和双价离子（如Mg2+、Ca2+）的选择性运输方面表现优异，相较于现有的二维材料纳米孔膜，显示了更高的选择性。

（3）分子动力学模拟揭示了阳离子与孔内缓慢水分及阳离子-阴离子相互作用的独特机制，这解释了不同离子通过MoS2纳米孔的运输行为。与单层膜相比，少层MoS2膜展示了显著改进的离子选择性和运输性能。

【图文速递】

图1：在多晶少层MoS2中进行电化学孔生成，与机械剥离的少层单晶进行比较。

图2：纳米孔特性表征与原位调节。

图3：MoS2纳米孔中离子运输的分子动力学模拟结果。

图4: MoS2纳米孔中离子运输的分子动力学模拟结果。

【科学启迪】

本文的研究揭示了一种通过施加横向电场在多晶MoS2中原位制造亚纳米孔的新方法。首先，利用电场调控孔隙度和尺寸，从而实现高密度、可调孔径的纳米孔膜，这种方法不仅突破了传统膜制造中的孔径不均和设备复杂性问题，还展现了在亚纳米尺度上精确控制孔尺寸的潜力。这一技术的成功应用，可能在燃料电池、渗透发电和水处理等领域带来重大突破。其次，研究还揭示了少层MoS2膜在离子选择性方面的优越性能，特别是在分离单价和双价离子方面。这不仅说明了纳米孔膜在离子分离中的应用前景，也突显了材料选择和孔结构设计在提升选择性方面的重要性。此外，通过分子动力学模拟分析离子与孔内水分的相互作用，研究提供了新颖的理解框架，有助于进一步优化膜材料的设计和应用。

参考文献：Hoenig, E., Han, Y., Xu, K. et al. In situ generation of (sub) nanometer pores in MoS2 membranes for ion-selective transport. Nat Commun 15, 7911 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52109-8