Entrance Effects in Concentration-Gradient-Driven Flow Through an Ultrathin Porous Membrane
液体混合物通过多孔膜的运输是脱盐，化学分离和能量收集等过程的核心，由新型2D纳米材料制成的可渗透膜显示出非凡的前景。在这里，我们推导出，第一次，一般方程的溶液和溶质通量通过一个圆形孔在一个平面膜诱导的溶质浓度梯度。我们表明，方程准确地捕捉到流体通量的有限元数值模拟弱溶质-膜相互作用。我们还推导出这些通量的比例律作为孔径和溶质-膜相互作用的强度和范围的函数。这些标度关系明显不同于那些浓度梯度驱动的流动通过一个长的圆柱形孔或流动诱导的压力梯度或电场通过一个孔在一个多孔膜。这些结果具有广泛的影响，通过膜的厚度上的顺序的特征孔径的液体混合物的运输。
2019-06-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Scaling Behavior of Bipolar Nanopore Rectification with Multivalent Ions
我们提出了作为参数$ξ=R_{\mathrm{P}}/(λz_{\mathrm{if}})$的函数的整流双极纳米孔的缩放行为，其中$R_{\mathrm{P}}$是孔的半径，$λ$是填充孔的电解质的特征屏蔽长度，并且$z_{\mathrm{if}}=\sqrt{z_{+}|z_{-}|}$是缩放因子，该缩放因子使得缩放工作用于含有多价离子的电解质（$z_{+}$和$z_{-}$是阳离子和阴离子价）。通过缩放，我们的意思是孔的整流（定义为正向和反向偏置状态下的电流比）取决于孔半径，浓度，$c$，和离子价通过参数$ξ$隐含。该特征基于整流取决于耗尽区的电压敏感外观的事实，耗尽区的电压敏感外观又取决于$R_{\mathrm{P}}$与重新缩放的屏蔽长度$λz_{\mathrm{if}}$的关系。在这个建模研究中，我们使用泊松-能斯特-普朗克（PNP）理论和粒子模拟方法，局部平衡蒙特卡罗（LEMC）。后者可以计算在PNP的平均场处理中被忽略的离子相关性，并且对于多价离子非常重要（我们显示了1：1，2：1，3：1和2：2电解质的结果）。除了$z_{\mathrm{if}}$因素，我们表明，必须选择一个合适的系统的屏蔽长度，在我们的情况下，德拜长度为$λ$ PNP和屏蔽长度的平均球近似LEMC。
2019-11-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Water-methanol mixture confined in a graphene slit-pore
本研究通过分子动力学模拟探索了石墨烯狭缝孔对水-甲醇混合物动力学和结构的影响，发现水倾向于占据孔中心而甲醇聚集于疏水壁，且12.5Å孔径在机械稳定且高效，为水-甲醇分离提供了最优配置。
2023-06-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
High-throughput nanopore fabrication and classification using FIB irradiation and automated pore edge analysis
大面积纳米孔钻孔是最先进的纳米多孔2D膜制造方案中的主要瓶颈。此外，高品质的结构和统计描述的制造多孔膜的关键是预测相应的膜的全渗透性能。在这项工作中，我们研究了Xe离子聚焦离子束作为一种工具，可扩展的，大面积的纳米孔制造原子级薄，独立的二硫化钼。所提出的辐照方案使得能够设计具有可调孔隙率和孔尺寸以及跨大面积基底的空间均匀性的可渗透膜。使用扫描透射电子显微镜成像对制造的纳米多孔膜进行表征，并通过孔边缘检测脚本分析观察到的纳米孔几何形状。我们进一步证明，所获得的结构和统计数据可以很容易地传递到计算和分析工具，以预测在单个孔和膜宽尺度的渗透性能。作为一个例子，膜具有埃级孔进行了研究，通过广泛的全原子分子动力学模拟在其新兴的水和离子流的性质。我们认为，这里提出的实验和分析方法的组合应该产生准确的基于物理的属性估计，从而有可能使一个真正的功能通过设计的方法来制造的应用，如渗透发电，脱盐/过滤，以及它们的应变可调版本。
2022-05-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electro-osmotic diode based on colloidal nano-valves between double membranes
电渗流的整流在微/纳米流体应用中是重要的，例如微泵和能量转换装置。在这里，我们提出了一个简单的电渗二极管，其中胶体颗粒包含在两个平行的膜具有不同的孔密度。虽然在向前方向上的流动只是将胶体颗粒推向高孔密度膜，但向后流动被低孔密度膜附近的颗粒阻挡，这些颗粒堵塞了孔。非平衡分子动力学模拟显示出很强的非线性依赖于电场的电流和电渗流，表明二极管特性。通过引入有效孔径作为胶体颗粒堵塞孔隙的模型，建立了一个重现电渗二极管行为的数学模型。所提出的模型与估计的参数值和直接分子动力学模拟的结果之间获得了良好的协议。所提出的电渗二极管在小型微流体泵中具有潜在的应用，例如，在AC电场下感应的泵浦。
2021-09-14 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Evolution of Nonlinear Ion Transport in Nanopore Arrays: Ionic Conductance, Current Rectification, and Osmotic Power
University of Pennsylvania（宾夕法尼亚大学）
通过制备不同孔径和数量的纳米孔阵列，研究了离子电导、电流整流和渗透能转换的标度规律，发现随孔数增加非线性增强，表面电荷主导的输运减弱，并建立了3D模型揭示浓度极化和电场抑制机制。
2026-06-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Selective Molecular Sieving through Porous Graphene
膜作为选择性屏障，在细胞区室化和工业规模的化学和气体净化等过程中发挥重要作用。理想的膜应该尽可能薄以最大化通量，机械坚固以防止破裂，并且具有明确的孔径以增加选择性。石墨烯是开发尺寸选择性膜的极好起点，因为其原子厚度、高机械强度、相对惰性和对所有标准气体的不渗透性。然而，必须将可以排除较大分子但允许较小分子通过的孔引入材料中。在这里，我们展示了紫外线诱导的氧化蚀刻可以在微米级石墨烯膜中产生孔，并将所得膜用作分子筛。加压起泡测试和机械共振用于测量各种气体（H2、CO2、Ar、N2、CH4和SF6）通过孔的传输。实验测得的泄漏率，分离因子，拉曼光谱同意以及通过少量的埃大小的孔隙渗出模型的基础上。
2012-08-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanostructured micrometric-pore membranes for nanofiltration: Micrometric geometry may optimize performance, energy efficiency and operational lifetime
本研究表明微米级标称几何形状对涂覆纳米结构的微米孔膜纳滤性能、寿命和能耗有显著影响，通过定制随机计算发现渐缩锥形等几何形状性能优于圆柱孔，且最优几何形状取决于应用可接受的LRV值。
2024-11-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Microscopic Transport Analysis of Single Molecule Detection in MoS$_2$ Nanopore Membranes
的微观物理分析的各种电阻效应参与电子检测的单个生物分子在纳米孔的二硫化钼纳米微粒。该分析依赖于一个相结合的实验-理论的方法，其中的横向电子电流的变化沿二维（2D）的膜由于DNA和蛋白质分子的易位通过孔进行比较与模型计算的基础上分子动力学（MD）和玻尔兹曼运输形式主义的膜电导进行评估。我们的分析指出，离子之间的自洽的相互作用，周围的孔边缘和生物分子的载流子，强调电解质浓度，孔径，纳米取向物的几何形状的影响，但也掺杂极性的纳米孔的电灵敏度在检测生物分子，这与实验数据吻合得很好。
2020-04-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Elastic Response of Mesoporous Silicon to Capillary Pressures in the Pores
我们研究水吸附引起的变形的单片，介孔硅膜穿过独立的通道$\sim$ 8 nm直径。我们专注于弹性常数与拉普拉斯压力引起的变形的膜毛细凝聚，即孔隙负荷模量。我们进行有限元法（FEM）模拟的吸附引起的变形的六边形和正方形格子的圆柱形孔代表膜。我们发现，孔隙载荷模量弱依赖于孔隙的几何排列，并可以表示为孔隙率的函数。我们提出了一个分析模型，该模型涉及的孔隙率和体硅的弹性性能（杨氏模量和泊松比）的孔隙负载模量，并提供了一个很好的协议与有限元结果。我们发现我们的实验数据和分析模型的预测之间的良好协议，与孔壁的杨氏模量略低于散装值。该模型适用于一大类具有类似于介孔硅的形貌的材料。此外，我们的研究结果表明，液体冷凝实验允许一个优雅地访问介孔介质的弹性常数。
2015-07-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Graphdiyne based membranes: exceptional performances for helium separation applications
石墨二炔是一种新的二维材料，衍生自最近合成的石墨烯，具有均匀分布的亚纳米孔。我们报告准确的计算表明，graphdiyne孔允许几乎畅通无阻的氦运输，可用于其化学和同位素分离。实验结果表明，该膜具有很高的He/CH_4选择性，大大超过了目前用于天然气抽提的最佳膜的性能。此外，通过利用^3He和^4He隧穿几率的微小差异，我们还发现了在低温下分离费米同位素的有希望的结果。
2014-12-15 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Understanding water permeation in graphene oxide membranes
由于石墨烯衍生膜在过滤和分离应用中的潜力，近年来通过石墨烯衍生膜的水传输获得了很大的兴趣。在这项工作中，我们探索水渗透氧化石墨烯膜使用原子模拟，通过考虑流动通过层间画廊，膨胀的孔隙，如褶皱的interedge空间，和孔内的片材。我们发现，虽然可以通过纳米限制建立流动增强，但通过原始石墨烯通道的快速水运输被氧化区域之间形成的毛细管的突出侧钉扎效应所禁止。然后，我们讨论流动增强的情况下，根据最近的几个实验。这些理解最终被整合成一个完整的画面，以了解水渗透通过逐层和多孔微结构，并可以指导合理设计的功能膜的能源和环境应用。
2014-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Highly Rectifying Conical Nanopores in Amorphous SiO2 Membranes for Nanofluidic Osmotic Power Generation and Electroosmotic Pumps
本研究利用可扩展径迹蚀刻技术在非晶SiO$_2$膜中制备高整流锥形纳米孔，通过精确调控表面电荷实现高达10的离子电流整流比，为纳流渗透发电和电渗泵等应用提供高性能平台。
2023-05-04 cond-mat.mes-hall
Acoustic Phonon Spectrum and Thermal Transport in Nanoporous Alumina Arrays
我们报告的结果相结合的调查的热导率和声学声子谱的纳米多孔氧化铝膜的孔径从D=180 nm减少到25 nm。选择具有六边形排列的孔的样品以具有相同的~ 13%的孔隙率。Brillouin-Mandeloughspectroscopy测量显示，在具有D=180-nm孔的样品中具有体状声子谱，并且在具有25-nm和40-nm孔的样品中具有归因于空间限制的光谱特征。在孔隙较小的样品中，纵向声学声子的速度降低。实验数据和计算的声子色散的分析表明，声子边界散射和声子空间限制影响的特征尺寸D<40 nm的膜的热传导。
2015-10-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ion transport across solid-state ion channels perturbed by directed strain
我们结合量子化学计算和分子动力学模拟，考虑水离子流通过非轴对称的纳米孔在单层石墨烯和MoS $_2$。当含孔膜受到在各个方向上施加的单轴拉伸应变时，相应的渗透率表现出相当大的方向依赖性。这种各向异性所示的产生从定向扰动的局部静电由相应的孔变形，使孔边缘的几何形状和原子组成。通过考虑纳米孔的离子渗透性取决于应变方向，我们提出了模型系统，可以产生一个详细的了解在固态和生物离子通道的结构-功能关系。具体而言，所观察到的各向异性效应潜在地使得能够使用穿过应变膜的渗透测量来获得由原子组或甚至孔边缘处的单个原子贡献的离子孔能量的方向性分布。由此产生的洞察力可能会促进亚纳米级孔的发展与新的功能所产生的局部不对称的孔边缘功能。
2020-04-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.bio-ph
Voltage gated inter-cation selective ion channels from graphene nanopores
生物蛋白质离子通道具有选择性控制离子流的能力，在许多生理过程中发挥着重要作用。对于需要生物离子通道功能的实际应用，石墨烯提供了一种有前途的固态替代品，由于其原子薄和机械强度。在这里，我们证明了引入到石墨烯膜中的纳米孔，直径高达50 nm，表现出阳离子间的选择性，K+比二价阳离子优先约20倍，并且可以通过施加的栅极电压来调节。石墨烯装置的液体原子力显微镜揭示孔附近的表面纳米气泡负责所观察到的选择性行为。分子动力学模拟表明，离子穿过孔的移位可能经由孔和纳米气泡边缘处的薄水层发生。我们的结果表明，通过固态纳米孔装置和通过利用去湿状态的孔显示的阳离子间选择性的显著改善，提供了一种制造选择性石墨烯膜的方法，该方法不依赖于亚纳米孔的制造。
2019-05-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
