基于限域条件离子关联特性的纳米流动计算上取得新进展

纳米机械器件可在原子尺度上实现信息存储、操控与通讯。然而，制备热力学稳定的状态，并实现低能耗的可控调制面临较大挑战。近年来，纳米加工技术的发展使得人们可以制备纳米，甚至原子尺度的通道结构并设计微流动器件。纳米尺度的限域效应使得流动器件的壁面效应更为显著：当器件尺寸降低至1纳米时，通道中的水在室温条件下将摈弃体相液体结构而展现出层状特性；当尺寸进一步降低时，可以观察到二维冰结构。在如此显著的限域效应下，通道中的离子水壳层结构亦将会受到影响，发生畸变，甚至破损。

图1.石墨烯纳米流动通道中的离子对结构

清华大学航天航空学院徐志平教授研究组通过分子模拟技术研究了多种(金属、卤素)离子在水溶液中的关联特性(图1)，表征了接触离子对、溶液共享离子对的微观结构，通过自由能分析方法解析了离子对结构的热力学稳定性。研究指出，在石墨烯纳米通道中，限域条件使得离子之间的静态与动力学关联增强，阴、阳离子对结构的寿命显著增强。

在含有双层水结构的通道中，为了维持一定的水壳层结构，离子对具有分立的特征状态和特异的空间与极化构型。双层水的特殊结构使得离子对在纳米通道中的自由能面具有双稳态，而通过施加外电场或利用通道壁面的局部电场可破坏其对称性，促使离子对在不同的构型状态之间发生转换。

图2.基于离子对状态切换的的开关、整流元件与逻辑计算单元

进一步，在驱动通道中溶液流动时，通过调控离子对构型的切换可实现基于纳米流动的离子开关、整流元件以及与、与非、或非逻辑门等基本单元，开展基于纳米流动的计算任务(图2)。纳米通道中离子对极短(原子尺度)的构型状态转变路径使得其切换操作仅需10-13秒，而不同构型间的自由能位垒与热涨落(kBT)相当，可以实现Brownian计算单元与极低能耗、高效逻辑的离子计算器件，探索其可逆极限。此外，自由能面的离子特异性还可以用于构建更多的离子关联状态。研究对于利用离子关联强度调控基于离子的质量与电荷输运也具有一定的参考意义。

近期该研究以“纳米受限条件下的离子关联特性与纳米流动离子机器”(Nanoconfinement-Enforced Ion Correlation and Nanofluidic Ion Machinery)为题发表在《纳米快报》(Nano Letters)期刊。论文第一作者是清华大学航天航空学院博士生周柯，通讯作者为清华大学工程力学系教授徐志平。本研究工作受国家自然科学基金委员会资助，其中的计算工作在清华大学高性能计算中心探索100平台上完成。（文/清华大学）