纳米所纳器件仿生研究再获一高水平研究成果

    近期，高新技术研究院纳米科学研究所在纳器件的仿生研究方面再获一高水平研究成果。该研究成果已被国际纳米领域顶级权威刊物Nano letters（影响因子12.186）接受发表，也是我校首次以第一单位在此高水平杂志发表文章。

 

    最近，拉曼实验证实了单链水分子可以被灌入到管径超小的碳纳米管中。当碳管中装有与外界孤立的单链水分子时，这些水分子会呈现奇妙的运动特性——它们可由高熵的无规则热运动状态自发地转换成为低熵的规则振荡，且其振荡频率高达几十吉赫兹。水分子在振荡状态时的能量与其对应环境温度下的热运动能量相符，且与碳管间几乎没有摩擦能耗，因此可以实现振荡的无源自持。

 

    纳米所的左广超博士和郭万林教授通过分子动力学模拟、第一原理计算以及热动力学分析，揭示了这种神奇的自调节是由水链最末端作为氢键供体的水分子的偶极取向所决定的。同时，碳纳米管的管径和手性对水分子振荡的稳定性也有重要影响。水分子的偶极自调节及间歇性的自持高频振荡机制的提出，在纳机电系统(NEMS)无源器件的设计等方面具有非常重要的现实意义，在以环境捕获能量作为驱动的研究热潮中具有广阔的应用前景。

 

    之前发表在ACS Nano上的工作以生物水通道蛋白为原型，进行了碳纳米管中水分子传输的仿生研究，证实了仿生纳米水通道与生物水通道具有同样的输运特性，而并不是一个“水泵”。文中的讨论与Nature Nanotech. (2, 709, 2007)上的文章“A charge-driven molecular water pump”的结果产生了分歧，引起了相关领域研究人员的高度关注，随后2010年的Nature Nanotech.的correspondence：“Static charges cannot drive a continuous flow of water molecules through a carbon nanotube”强有力地支持了该项结果和讨论。

 

    这项工作得到了国家自然科学基金、“973”项目和江苏省自然科学基金的支持。