超越“一次一个孔”：产生多个可调纳米孔的新方法

具有小于十亿分之一米的原子级孔的纳米多孔膜在净化受污染的水、从水中提取有价值的金属离子或渗透发电机方面具有巨大的潜力

但是，这些令人兴奋的应用在一定程度上受到逐一隧穿单个亚纳米孔的繁琐过程的限制

“如果我们要扩大2D材料膜的规模，使其适用于实验室以外的应用，那么‘一次一个孔’的方法是不可行的，”最近芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）博士毕业生Eli Hoenig说。“但是，即使在实验室实验的范围内，纳米多孔膜也能提供比单个孔大得多的信号，从而提高了灵敏度。”Hoenig是最近发表在《自然通讯》上的一篇论文的第一作者，该论文找到了解决这一长期问题的新途径。在PME助理教授Chong Liu的带领下，该团队创造了一种新的孔生成方法，该方法可以构建具有有意弱点的材料，然后施加远程电场一次生成多个纳米级孔

刘说：“我们的逻辑是，如果我们能预先设计材料的外观并设计弱点所在的位置，那么当我们进行孔隙生成时，该领域将发现这些弱点，并首先开始在那里钻孔。”

弱点的强度

通过重叠几层多晶二硫化钼，研究小组可以控制晶体的相遇位置

刘说：“假设我有两个完美的晶体。当这两个晶体结合在一起时，它们不会只是平滑地粘在一起。有一个界面，它们开始相互连接。”。“这被称为晶界。”

这意味着它们可以“预先塑造”晶界——以及最终在那里形成的孔隙——并具有显著的控制水平

但通过这种技术可以微调的不仅仅是位置。孔的浓度甚至它们的尺寸都可以预先确定。该团队能够将孔的大小从4纳米调整到小于1纳米

这为工程水处理系统、燃料电池或任何其他应用提供了灵活性

刘说：“人们希望精确地创建和限制毛孔，但通常这种方法是有限的，一次只能创建一个毛孔。”。“这就是为什么我们开发了一种创建高密度孔隙的方法，在这种方法中，你仍然可以控制每个单独孔隙的精度和大小。”

虽然这项技术有很多用途，但Hoenig发现环境应用最令人兴奋。这些包括处理水和提取有价值的材料，如世界向可再生能源过渡所需的电网级电池所需的锂。“至少在这个基础科学水平上，有针对性的水净化和资源回收是同一枚硬币的两面，对我来说，这两者都非常重要，”Hoenig说

刘说，这篇新论文是与PME教授Shirley Meng和PME助理教授Shuolong Yang量子小组以电池为重点的实验室进行跨学科合作的智力分支。这三个实验室跨越学术孤岛，此前合作突破了在晶体上生长量子量子位的长期障碍

刘说：“我们的三个团队正试图开发精确合成技术，不仅针对一种材料，也不仅针对一类材料特性。”。“我们正在共同研究如何操纵材料的成分、结构和缺陷，以产生精确的缺陷和孔隙。”