Sci. Adv.：自组装离子液晶纳米通道中束缚水的分子研究

木文韬 3年前 (2021-08-24) 3176浏览

【引言】

离子液晶（ILC）是由两个亲水离子基团和疏水烷基链组成的自组装纳米结构。它们的纳米相提供了与它们自己的分子团有关的不同特性。离子部分的亲水域作为一个纳米通道来传输电荷和分子，离子纳米通道的结构模式可以被设计成一维（1D）柱状、二维涂抹状和三维双连续相的各种几何形状。疏水部分的液晶（LC）组装可以在没有纳米通道路径的情况下阻止分子的渗透。纳米通道组织和相互连接的实验技术被广泛研究以控制分子行为。疏水域可以通过使用可聚合基团的光化学反应来固定。离子纳米通道使该材料能够输送水和带电分子，如碱和碱土金属、氟化物和SO4^2-。此外，葡萄糖、蔗糖和棉子糖的中性分子也可以通过纳米通道渗透。在离子纳米通道中，带电分子的渗透速率与任何离子和水合半径无关。离子物质的选择性渗透是反渗透膜等实际应用的特性。然而，对水和离子传输特性的分子见解仍然知之甚少。分子动力学（MD）方法是研究凝聚态纳米环境的有力工具。对封闭在碳纳米管（CNT）和Nafion纳米通道中的水分子已经通过计算方法得到了充分的研究。束缚水分子在碳纳米管和纯水内部相互作用和扩散。同时，从聚电解质的角度看，在纳米封闭的离子环境中，反离子凝聚使水和离子的传输现象更加复杂。

【成果简介】

近日，在日本兵库大学、京都大学Hitoshi Washizu和Yoshiki Ishii、东京大学Takashi Kato团队等人带领下，通过采用密度泛函理论和分子动力学相结合的自洽模型和大规模分子动力学计算，报告了水分子在纳米通道中的具体行为。模拟结果清楚地提供了一维（1D）和三维（3D）相互连接的自组装柱状和双连续结构纳米通道，通过X射线衍射测量观察到的精确中尺度。然后，水分子随着氢键网络的形成被限制在纳米通道内。自由能和各向异性扩散系数的定量分析表明，1D纳米畴的中尺度几何结构通过离子纳米通道内的溶解和扩散机制，有利于水的传输性质。该成果以题为“Molecular insights on confined water in the nanochannels of self-assembled ionic liquid crystal”发表在了Sci. Adv.上。