納米多孔膜的原子級孔洞小于十億分之一米，在凈化污水、從水中提取有價值的金屬離子或用于滲透發(fā)電方面具有強大的潛力。

但這些令人興奮的應(yīng)用在一定程度上受到了一個接一個地穿透單個亞納米孔的繁瑣過程的限制。

最近，芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院(PME)博士研究生Eli Hoenig說:“如果我們要擴大二維材料膜的規(guī)模，使其適用于實驗室以外的應(yīng)用，那么‘一次一個孔’的方法是不可行的?！薄暗?，即使在實驗室實驗的范圍內(nèi)，納米孔膜提供的信號也比單個孔大得多，從而提高了靈敏度。”

Hoenig是最近發(fā)表在《自然通訊》上的一篇論文的第一作者，該論文發(fā)現(xiàn)了解決這一長期問題的新途徑。在PME助理劉沖教授的帶領(lǐng)下，該團隊創(chuàng)造了一種新的孔隙生成方法，該方法可以構(gòu)建具有故意弱點的材料，然后應(yīng)用遠程電場一次生成多個納米級孔隙。

劉說:“我們的邏輯是，如果我們可以預(yù)先設(shè)計材料的外觀和弱點在哪里，那么當(dāng)我們進行孔隙生成時，電場會捕捉到這些弱點，并首先開始在那里鉆孔。”

弱點的力量

通過重疊幾層多晶二硫化鉬，研究小組可以控制晶體相遇的位置。

“假設(shè)我有兩個完美的水晶。當(dāng)兩個晶體結(jié)合在一起時，它們不會僅僅是平滑地粘在一起。有一個接口，它們開始相互連接，”劉說?！斑@就是所謂的晶界?！?/p>

這意味著他們可以對晶界進行“預(yù)定型”——以及最終在晶界形成的孔洞——控制得非常好。

但是，通過這種技術(shù)可以微調(diào)的不僅僅是位置。孔隙的濃度甚至它們的大小都可以提前確定。該團隊能夠?qū)⒖椎拇笮?納米調(diào)整到小于1納米。

這為工程水處理系統(tǒng)、燃料電池或任何其他應(yīng)用提供了靈活性。

“人們想要精確地創(chuàng)造和限制毛孔，但通常這種方法是有限的，所以你一次只能創(chuàng)造一個毛孔，”劉說。“這就是為什么我們開發(fā)了一種方法來創(chuàng)建高密度毛孔，在這種方法中，你仍然可以控制每個毛孔的精度和大小?！?/p>

雖然這項技術(shù)有許多用途，但赫尼格認為環(huán)境應(yīng)用最令人興奮。其中包括處理水和提取有價值的材料，如鋰，這是世界向可再生能源過渡所需要的電網(wǎng)規(guī)模電池所需要的。

霍尼格說:“至少在基礎(chǔ)科學(xué)層面上，有針對性的水凈化和資源回收是同一枚硬幣的兩面，對我來說，兩者都非常重要?！?/p>

劉說，這篇新論文是與PME孟雪教授和PME助理教授楊碩龍量子小組的電池重點實驗室進行跨學(xué)科合作的一個知識分支。這三個實驗室跨越學(xué)術(shù)孤島，此前合作突破了在晶體上生長量子量子位的長期障礙。

劉說:“我們的三個團隊正在努力開發(fā)精密合成技術(shù)，不僅針對一種材料，也不僅僅針對一種材料特性?！薄拔覀冋诠餐芯咳绾尾倏v材料的成分、結(jié)構(gòu)和缺陷，以創(chuàng)造精確的缺陷和孔隙?！?/p>