Science＋Nature：看諾獎得主Andre Geim教授如何玩轉二維材料微通道

就在剛剛過去的幾天，因發現石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎的Andre Geim教授幾乎同時在《Science》和《Nature》發表文章，展示了他們最近在石墨烯、氮化硼、二硫化鉬等典型二維材料所構建的微通道裡面的重要發現，分別驗證了氣體分子和水分子在低維納米尺度下的反常特性，為人們從原子尺度上探索粒子的輸運特性打開了一扇嶄新的大門。本期內容將為大家簡要介紹這兩個重量級的研究工作。

Ballistic molecular transport through two-dimensional channels

二維通道中分子的彈道輸運

創 新 研 究

在自然界中，納米孔隙中的氣體滲透無處不在，而氣體分子的輸運行為則從微觀角度上描述了滲透性質。由於納米孔徑通常小於氣體分子的平均自由程，所以氣體分子的輸運通常由Knudsen理論來描述：該理論假定分子在受限的邊界處發生了漫反射（隨機角度散射）。以往的研究表明，除了個別特例，這個假設在實驗上展現出驚人的準確性。

近日，來自英國曼徹斯特大學A. K. Geim教授和B. radha教授領導的研究團隊，包括中國科學技術大學的王奉超副教授以及伊朗德黑蘭謝里夫理工大學研究團隊共同合作，在由石墨烯（graphene）或氮化硼（boron nitride）構成的二維通道中，發現氦氣分子在通道原子級平坦的邊界處既可以發生漫反射，也可以表現出鏡面反射（specular）的特徵，這與傳統的Knudsen理論存在根本的區別。從宏觀現象上來看，由於分子發生了無摩擦的鏡面反射，氦氣的流動速率比理論預測要高出好幾個數量級，展現出近似於無阻礙的「彈道」（ballistic）輸運特徵。

進一步細緻的研究發現，分子的散射行為往往與表面原子的結構細節有關，並且原子尺度下的量子效應有助於室溫下氣體分子的鏡面反射行為。但是，當氣體在二硫化鉬MoS2構成的通道中流動時，則會表現出更慢的滲透速率，這種現象仍可用傳統的Knudsen理論來解釋。研究人員認為這種差異產生的主要原因在於：二硫化鉬表面分布著較大的原子級「波紋」（corrugation）結構，其波紋高度可比擬於所運輸氣體分子的尺寸大小和德布羅意波長。實驗表明，氫（hydrogen）分子的流速要明顯高於氘（deuterium）分子，從而從另一個角度證實了這一理論假設。

該研究利用幾種典型二維材料在表面原子結構上的特殊性和可控性，從微觀層面上研究了氣體分子輸運與原子結構之間的內在關係，其所研究的體系尺寸已經達到了量子力學範疇，這從科學和實際應用上都具有重要的研究價值。

圖 文 速 覽

圖一原子尺度下的氦氣分子輸運

a，由MoS2晶體構建的2D通道的示意圖和TEM顯微照片

b，左側邊緣通道的高倍率圖像；每條明亮的水平線均為對應的單層MoS2

c，實驗器件示意圖

d，在相同高度的2D通道中，流經不同二維材料的氦氣滲透率

圖二 2D通道中氣體分子的微觀輸運機制

a，觀察不同牆體材料和通道高度下的增強係數K.

b，氦運輸對L的依賴，N = 4

c，原子級平面的固有粗糙度

d，2D通道縫隙的自我清潔

Anomalously low dielectric constant of confined water

水在受限通道中的極低介電常數

創 新 研 究

界面水（interfacial water）的電極化特性決定了水媒介中的分子間相互作用強度，同時又影響了表面水合作用、離子溶劑化、納米孔中的分子運輸、化學反應和大分子自組裝等現象。幾十年來，雖然人們已經針對界面水進行了大量的理論和實驗研究，但對其介電常數ε仍然在實驗上處於未知狀態。以往的研究主要集中在尺寸較大的實驗系統，如納米多孔晶體、沸石粉末和分散體，主流的測量手段藉助於寬頻介電光譜學（broadband dielectric spectroscopy）。這些系統保證了足夠多的界面水來進行電容特性測量，但實驗體系本身的複雜幾何形狀需要後期進行大量的參數調整和廣泛建模，這都將導致實驗的不確定性增大。同時，由於缺乏用於直接測量界面水極化率的原子級探針，大多數理論研究還是來自分子動力學（molecular dynamics）模擬。

近日，來自英國曼徹斯特大學A. K. Geim教授和L. Fumagalli教授研究團隊，同伊朗沙力夫理工大學，西班牙巴塞羅那大學和日本國立材料研究所的研究人員們共同合作，在導電石墨烯層上方構建了一個納米級的微通道，該通道表面由一層氮化硼覆蓋，內部用水填充，高度可以從1到300nm變化不等。研究人員利用基於原子力顯微鏡系統的介電掃描顯微鏡（scanning dielectric microscopy），對通道內的水進行介電常數ε的測量並微曲掃描成像，發現通道內的界面水的介電常數僅僅為2，遠低於ε=80的內部水（bulk water）。不同高度的通道中，水的介電常數也呈現出隨高度逐漸下降的趨勢。

結合以往的理論研究，研究人員發現水分子H2O這個偶極子的旋轉自由度在界面附近逐漸減小，從而導致了界面水的介電常數遠低於內部水的ε（ε≈80）。本次實驗的結果為描述水的表面相互作用和界面水的行為理論提供了十分重要的實驗支撐，並且為我們展示了一種能夠用來在極限條件下研究流體和固體的介電性質的實驗方法。

圖 文 速 覽

圖一介電常數微曲掃描成像的實驗裝置與器件

a,裝置示意圖

b c,在用水填充之前b和之後通道橫截面示意圖

d,三維形貌圖

e-g,不同h值下hBN的AFM形貌圖

h-j,頂層（黑色）和未被hBN覆蓋的部分（青色）的相應形貌輪廓

圖二 受限通道中水的介電常數成像

a-c，圖1中三個裝置在充滿水後的形貌圖

d-f，在1kHz頻率下施加4V的尖端電壓得到的dC / dz圖像

g，d-f 通道的平均介電常數分布

h，三個研究裝置的已知幾何形狀的模擬dC / dz曲線

圖三 強約束條件下水的介電常數

兩江短評

2010年，來自英國曼徹斯特大學的A. Geim和K. Novoselov因為石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎，很重要的原因是石墨烯為電子提供了一個幾乎完美的二維傳輸平台，實現了電子體系的「空間降維」，一系列量子力學現象應運而生；如今，他們再次另闢蹊徑，通過「刪減」部分二維材料，為分子「騰出」了一個二維傳輸的通道，將更多的粒子約束在「低維」納米空間，為我們留出一個觀察微觀世界的全新維度。精彩！（顏學俊）

Reference

[1]Ballistic molecular transport through twodimensional channels byA. Keerthi, A. K. Geim, A. Janardanan, A. P. rooney, A. esfandiar. S. Hu. S. A. Dar, I. V. Grigorieva, S. J. Haigh, F. C. Wang & B. radha. Nature Vol 558 21 Jun 2018.

[2]Anomalously low dielectric constant of confined water.by L. Fumagalli, A. Esfandiar, R. Fabregas, S. Hu, P. Ares, A. Janardanan, Q. Yang1 B. Radha T. Taniguchi, K. Watanabe, G. Gomila K. S. Novoselov, A. K. Geim. Science 360, 1339–1342 (2018) 22 June 2018 .

作者：Jane Chou

編輯：Jane Chou, 顏學俊

免責聲明：本文旨在傳遞更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵權，請聯繫下方郵箱，我們將及時進行修改或刪除。轉載請註明出處，如原創內容轉載需授權，請聯繫下方微信號。

郵箱：zunzun@imeta-center.com

微信號：Jessica_2313

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！