过去十年，减小流体装置至纳米尺度的能力（例如采用纳米管、纳米孔）导致了新奇的水和离子运输现象的发现。随后，二维材料的范德华组装使研究人员创造出具有埃级精度的人造通道。这种通道将流体限域延伸至分子尺寸，因此不再满足流体连续性方程的适用条件。这种尺寸下的水膜可以重构成介电常数明显下降的单层/双层结构，或是形成室温冰相。在这种限域通道内，离子运动受到通道壁与离子水化层之间相互作用的影响，且水的运输也强烈依赖于通道壁材料。

为了研究这种限域条件下水和离子运输是如何耦合的，法国巴黎高等师范学院L. Bocquet团队以及英国曼彻斯特大学A. K. Geim（石墨烯发现者之一）团队、B. Radha团队联合，对分子尺寸狭缝状通道中的离子液体运输进行了测量。这种运输由压力和外加电场驱动，揭示出一种类似于晶体管的电流体力学效应。较小的偏压（ΔV ≈ 75 mV）即可将压力驱动的离子运输提高20倍（通过电渗迁移率表征）。这种门控效应在石墨和六方BN中均可观测到，但因材料不同存在显著的差异性。为了解释这种差异性，作者采用改进的连续性框架对材料依赖的水分子，离子，以及限域表面之间的摩擦作用进行了描述。

作者认为，这种在分子尺度限域下对流体运输的高度非线性门控可为控制分子、离子运输提供新路径，同时为探索可能在最近发现的机械敏感性离子通道中起着关键作用的机电耦合提供方法。

图1. 压力、电压驱动电流的实验装置

图2. 不同偏压和通道材料下的净电流

Mouterde T, Keerthi A, Poggioli A R, et al. Molecular streaming and its voltage control in ångström-scale channels. Nature, 2019.

DOI: 10.1038/s41586-019-0961-5

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0961-5#article-info