勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員發現，碳奈米管膜孔可以實現超快速透析過程，這將大大縮短血液透析患者的治療時間。

在複雜溶液中分離分子成分的能力對許多生物和人為過程至關重要。一種方法是在多孔膜上應用濃度梯度。這將小於孔徑的離子或分子從膜的一側驅動到另一側，同時阻止任何太大而無法穿過孔隙的東西。

在自然界中，腎臟或肝臟中的生物膜可以進行復雜的過濾，同時保持高吞吐量。然而，合成膜往往在選擇性和滲透性之間與眾所周知的權衡而掙扎。支配著什麼可以和不能穿過膜的相同材料特性不可避免地降低了過濾的速度。

在發表在《高階科學》雜誌上的一項令人驚訝的發現中，LLNL研究人員發現，碳奈米管孔隙（直徑比人類頭髮小數千倍的石墨圓柱體）可能為滲透率和選擇性權衡提供瞭解決方案。當使用濃度梯度作為驅動力時，發現鉀、氯化物和鈉等小離子在這些微小孔隙中的擴散速度比在散裝溶液中移動快一個數量級以上。

該論文的主要作者史蒂文·布赫斯鮑姆說：“這一結果是出人意料的，因為文獻中的普遍共識是，這種直徑的毛孔中的擴散率應該等於或低於我們看到的散裝。”

該專案首席研究員弗朗切斯科·福納西耶羅補充說：“我們的發現豐富了最近在奈米禁閉中發現的令人興奮且往往瞭解不透徹的奈米流體現象的數量。”

團隊認為這項工作在幾個技術領域具有重大影響。使用碳奈米管作為運輸通道的膜可以實現超快速血液透析過程，從而大大縮短治療時間。同樣，淨化蛋白質和其他生物分子以及從電解質溶液中回收貴重產品的成本和時間可以大幅降低。增強的離子在小石墨孔隙中的遷移可以使具有高功率密度的超級電容器即使在孔徑接近離子孔徑下。

為了進行這些研究，團隊利用了以前開發的膜，這些膜只能透過直徑幾奈米的對齊碳奈米管的空心內部進行運輸。使用定製的擴散電池，在這些膜上應用濃度梯度，並測量了各種鹽和水的輸送速率。布赫斯鮑姆說：“我們已經進行了嚴格的控制測試，以確保對記錄的大離子通量沒有其他可能的解釋，例如透過膜洩漏或缺陷進行傳輸。”

為了更好地理解這種行為發生的原因，團隊尋求了幾位LLNL專家的幫助。Anh Pham和Ed Lau使用計算模擬，April Sawvel使用核磁共振光譜學來研究碳奈米管內離子的運動。成功排除了幾種可能的解釋，使情況更加清晰。然而，對觀察到的運輸速率的完整定量理解仍在發展中。

參考文獻：史蒂文·F的“碳奈米管中小離子的快速滲透”。布赫斯鮑姆，梅林達·L。朱，四月M。索維爾、陳嘉泰、埃裡克·R。Meshot，

樸世珍、瑪麗莎·伍德、吳匡仁、卡米爾·L。比洛多、菲克雷特·艾丁、團安·範、埃德蒙·Y。劉和弗朗切斯科·福納西羅，2020年12月20日，高階科學。