水通过具有密集氟化物内表面的纳米通道的超快渗透

疏水的内表面可以促进水在纳米通道中的快速渗透。聚四氟乙烯有一个密集的氟表面，导致很强的疏水性。该工作报道了内径为0.9~1.9纳米的一系列含氟低聚酰胺纳米环。这些纳米环在磷脂双层膜中进行超分子聚合，形成氟纳米通道，通道内壁密被氟原子覆盖。直径最小的纳米通道的水渗透通量比水通道蛋白和碳纳米管的水渗透通量大两个数量级。同时，该纳米通道具有极小的氯离子(Cl^-)渗透率，这是由静电负氟内表面提供的强大静电屏障造成的。因此，这种纳米通道有望在脱盐过程中显示出近乎完美的盐截流。

图1所示。氟纳米环系列及跨膜氟纳米通道的形成。(A)氟纳米环F¹²NR₄, F¹⁵NR₅, F¹⁸NR₆和F¹²NR₆的分子结构。根据水通过纳米通道的MD模拟得到的径向水密度，计算出纳米环的内径。(B)超分子聚合的F^mNR_n嵌入囊泡磷脂双层膜中形成的氟纳米通道(F^mNC_n)的示意图。(C)水簇在亲疏水纳米通道中的流动示意图。(D)水分子在直径为1.76 nm的虚拟LennardJones (LJ)通道中的悬垂键分布。(E)不同疏水性水平下LJ通道水分子的流速。

图2所示。氟纳米通道的形成。(A~D)在B3LYP/6-31G*理论水平上通过DFT计算得到(A) F¹²NR₄， (B) F¹⁵NR₅， (C) F¹⁸NR₆和(D) F¹²NR₆纳米环的CPK示意图。(E~H)在B3LYP/6-31G*理论水平上，通过DFT计算得到纳米环(E) F¹²NR₄， (F) F¹⁵NR₅， (G) F¹⁸NR₆和(H) F¹²NR₆的静电势图。静电势映射到表面，电子密度为0.0004单位。红色和蓝色的表面分别代表电位的负区域和正区域。(I~L) F¹²NC₄、(J) F¹⁵NC₅、(K) F¹⁸NC₆和(L) F¹²NC₆纳米管由F¹²NR₄、F¹⁵NR₅、F¹⁸NR₆和F¹²NR₆超分子聚合形成的CPK示意图。每个模型都是在B3LYP/6-31G*理论水平上通过DFT计算得到的FmNRn结构的基础上构建的。(M~P) TEM显微图显示了超分子聚合体(M) F¹²NR₄， (N) F¹⁵NR₅， (O) F¹⁸NR₆和(P) F¹²NR₆的风干分散体，该分散体是在DMSO/十五烷中加热5分钟，然后冷却到室温制备的。样品用乙酸铀酰染色。

图3所示。用荧光截流法评价含氟纳米通道的水渗透动力学。(A)荧光阻流测量装置示意图。将NaCl缓冲溶液([HEPES] = 10 mM [NaCl] = 500 mM)加入到含cfoc的DPPC囊泡的HEPES缓冲分散液中([HEPES]= 10 mM， [NaCl] = 100 mM)。由于囊泡外部(300 mM)和内部(100 mM)环境NaCl浓度不同，囊泡磷脂双层膜中产生渗透压。随后，小泡有望通过通道释放水分子并收缩。这一体积收缩事件是通过CF的荧光猝灭来监测的，因为CF在囊泡内部环境中的浓度增加了。(B) 25℃时，在囊泡磷脂双层膜中存在F¹²NR₄(红色，C = 0.0018)和不存在F¹²NR₄(黑色)的情况下，DPPC囊泡中封闭的CF具有代表性的停止流动荧光衰减图。八个衰减剖面取平均值。F (C)依赖的摩尔分数百分比(C) F¹²NR₄ (C), (D) F¹⁵NR₅,(E) F¹⁸NR₆, (F)在DPPC F¹²NR₆渗透相应的囊泡的水渗透系数Pf 25 C .

图4所示。DPPC囊泡中氟纳米通道对水和离子的渗透性。(A) F¹²NC₄、F¹⁵NC₅、F¹⁸NC₆和F¹²NC₆的单通道渗透性，以及CNT(21)和AQP1(19)的渗透性。(B) F¹²NC₄、F¹⁵NC₅、F¹⁸NC₆和F¹²NC₆的单通道透水通量(f)，通过pf除以其透水横截面积得到。CNT(21)和AQP1(19)的值也被显示出来。(C) F¹²NC₄、F¹⁵NC₅、F¹⁸NC₆和F¹²NC₆的反射系数(柱状图中的值)和单通道Cl渗透率bCl(柱状图中轴以下)。ND为检测限以下值。(D)固有水/盐选择性(Pw/Ps)与水渗透性Pw (cm²/s)的关系图。利用已报道的方法计算了在DOPC基质中F^mNC_n、CNT和AQP1重构膜的Pw/Ps和Pw值(27)。

通过绘制水渗透性(Pw)与水/盐选择性(Pw/Ps)，比较了所提出的氟纳米通道的脱盐性能。如图4D所示，如果Pw/Ps与Pw的关系图更多地位于右上方，则整体的海水淡化性能更高。F¹²NC₄、F¹⁵NC₅、F¹⁸NC₆和F¹²NC₆的P/w P/ s到Pw图均位于图的右上角。这证明了具有类似于聚四氟乙烯的内表面和合适的通道直径的氟纳米通道可以以前所未有的高速率渗透水，并实现近乎完美的脱盐。这些性质源于含氟内表面的静电负性，可以打破水团簇，提高透水性，也可以为Cl^-的掺入提供强大的静电屏障。

文献来源：Ultrafast water permeation throughnanochannels with a densely fluorous interior surface. Yoshimitsu ItohShuoChenRyota HiraharaTakeshi KondaTsubasa AokiTakumi UedaIchio ShimadaJames J.CannonCheng ShaoJunichiro ShiomiKazuhito V. TabataHiroyuki NojiKohei SatoTakuzoAida. Science, 376 (6594), DOI: 10.1126/science.abd0966

本期投稿：SYY

本期编辑：ZSH

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