本文刊载于《科学观察》2008年第3卷第6期P70-P71。
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论文1报道了水与气体能以远超理论预测值的速度通过碳纳米管的研究成果。这一重大发现将来可能成为新的分离技术的基础，并可能被运用到海水淡化，用于解决全球日益短缺的饮用水难题。该研究成果甚至有更加广阔的应用前景，因为纳米流体学是分子穿过膜的关键科学领域。
论文1是由加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermore National Laboratory, LLNL)的物理学家OlgicaBakajin与化学家AleksandrNoy所领导的研究组完成的。该研究小组制备出孔径小于2nm的碳纳米管膜。他们利用催化化学沉积过程，在硅片表面生长双壁纳米管，并且通过低压化学气相沉积产生的氮化硅把纳米管的空隙密封起来。由于未检测到被密封的气体或液体渗透出来，因而表明膜的密封性良好，没有任何空隙。然后使用氩离子蚀刻技术，剥离掉表面的氮化硅，重新打开纳米管的两端。
1cm2膜表面大约有2500亿根纳米管，每根管长度在2～3μm之间，直径在1.3～2.0nm之间，因此2nm及以上尺寸的金颗粒不能进入并通过碳纳米管道。透射电子显微镜表明，管道内径与6个水分子的宽度相近。
论文1中所介绍的膜的神奇之处在于气体和水分子的流速。实验证明，气体在纳米管中的速度是Knudsen模型的100多倍，水的流速则是理论预测值的1000多倍。然而水的流速与分子动力学计算一致，其预测对于1nm的孔，每纳秒可以通过12个水分子。水之所以可以高速通过纳米管，其原因主要在于氢键作用。通过氢键作用，水分子相互键合，形成水分子线，然后水分子依次拉动，快速通过几乎没有摩擦力的表面。更多的纳米流体学研究细节请参阅Bakajin和Noy发表在Nano Today上的论文(A.Noy, etal., 2[6]: 22-9, 2008)。
事实上，论文1所提供的这一直接明确介绍气体与水高速流过碳纳米管的实验证据实属世界首次。研究中新设计的纳米薄膜在两个关键的研究领域可能有非常重要的应用：其一是作为选择性通过分子的细胞膜模型；其二是作为海水淡化的一种方法。(www.xing528.com)
在海水淡化领域中的应用，LLNL研究小组正在研究离子通过碳纳米管的传输，《美国科学院院刊》(PNAS)的网络版报道了相关的研究成果(10.1073/pnas.0710437105)。研究小组在纳米管的开口端设计了负电荷的基团，从而限制了普通离子如钠离子的进入。对于高电荷离子，屏蔽效率可达98%。这种离子屏蔽对于未来的海水淡化工厂可能是非常关键的技术方案。目前海水淡化还是以反渗透为基础的，此过程需要巨大的水压，但人们真正需要的却是低压淡化技术。
在生物领域中的应用，OlgicaBakajin与AleksandrNoy制备的纳米薄膜可以模拟细胞膜，如果有效，碳纳米管将不得不存在于液体介质中，然而，碳纳米管在液体相中的悬浮一直是科学界难以逾越的障碍，但是现在，Bakajin与Noy成功地解决了这一难题。他们为纳米管涂上了一层随后可以去除的无机物，改变了碳纳米管的表面性质，使其更容易进入到液体相中。令科学家惊喜的是，纳米管在新的介质中依然能够展示出原有的电子特性——参阅A.B. Artyukhin, et al., InternationalJournal ofNanotechnology, 5(4-5): 488-96, 2008。此领域早期的工作成果请参阅:A. B. Artyukhin, et al., NanoLetters,6(9): 2080-5, 2006; and S. C. J. Huang, et al., NanoLetters,7(11): 3355-9, 2007。
Bakajin与Noy对该研究成果的应用前景非常乐观：“我们相信，我们能够利用碳纳米管优良的传输性能开发出世界上最好的新一代膜分离技术。”
翻译：朱海峰 审校：马建华
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