How ions block the single-file water transport through a carbon nanotube

文献情報

出版日 2019-05-04
DOI 10.1039/C9CP01714C
インパクトファクター 3.676
著者

Zhenglong Su, Jingyi Chen, Yunzhen Zhao, Jiaye Su


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要旨

Understanding the blockage of ions for water transport through nanochannels is crucial for the design of desalination nanofluidic devices. In this work, we systematically clarify how ions block the single-file water transport through a (6,6) carbon nanotube (CNT) by using molecular dynamics simulations. We consider various pressure differences and salt concentrations. With the increase of pressure difference, the water flux shows a linear growth that coincides with the Hagen–Poiseuille equation. Interestingly, the dependence of the CNT–ion interaction on the salt concentration results in a distinct ion blockage effect that ultimately leads to water flux bifurcation. The water translocation time shows a power law decay with pressure, depending on the salt concentration. Furthermore, with the increase of salt concentration, the water flux shows a linear decay with a larger slope for higher pressure, while the water translocation time shows an opposite behavior. Therefore, the ions can not only block the water entering but also slow down the water motion inside the CNT. Notably, the probability of cations and anions appearing at the CNT entrance is quite similar, suggesting a similar blockage effect; however, anions show deeper interactions with the CNT because of their larger size. We finally find a unique linear relation between the water flux and occupancy divided by the translocation time. Our results provide insightful information on the ion blockage effect for the single-file water transport, and are thus helpful for the design of novel filtration membranes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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