多层石墨烯纳米孔中碎片化脱水导致的离子选择性与过滤

选择性离子传输是生物离子通道行为的标志，但将其设计入人工膜是一大挑战。在此，我们通过全原子分子动力学模拟证明，裸石墨烯纳米孔通过改变孔半径和石墨烯层数，可产生可测量的离子选择性，变化达一到两个数量级。单层石墨烯在孔半径足够小以将第一水合层排除在孔外之前不显示脱水诱导的选择性。然而，双层和三层石墨烯在仅略微侵入第一水合层的孔径下就已显示此类选择性，这是由于第二水合层更显著的水流失所致。对来自第一和第二水合层势垒的选择性与活化势垒的测量将有助于阐明生物离子通道的行为。此外，导致选择性的能垒——尽管在水合能尺度上较小——已经相对较大，即许多$k_B$。因此，对于从水中分离离子，人们可以用更短、更小半径的孔替换更长、更大半径的孔，从而给出一种在增强其他性质（例如水通量）的同时保持排斥效率的实用方法。