太赫兹波能够提升双壁碳纳米管的海水淡化性能

《Desalination》：Terahertz waves promote the desalination performance in double-walled carbon nanotubes

离子排斥与水通量协同优化：基于太赫兹波辅助双层碳纳米管的分子动力学模拟研究表明，场强增至2 V/nm时所有DWCNTs均实现近100%离子排斥，频率10 THz时内径(8,8)和(9,9)的DWCNTs因尺寸排斥特性表现最佳，其机制结合共振效应与氢键冻结，为高效海水淡化膜开发提供新思路。

　　碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）因其独特的物理和化学特性，在水处理、离子分离和过滤技术等领域展现出巨大的应用潜力。特别是双壁碳纳米管（Double-Walled Carbon Nanotubes, DWCNTs），作为由两根同心排列的单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）组成的复合结构，具有比单壁碳纳米管更优越的热稳定性和化学稳定性，同时也表现出更好的透明度与导电性。这些特性使得DWCNTs在纳米尺度的流体传输中具有独特的优势。然而，传统的水处理技术往往面临着水通量与离子排斥之间的权衡，即在提高离子排斥能力的同时，通常会降低水的渗透速度，这限制了其在高效脱盐系统中的应用。为了解决这一问题，研究团队采用分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟技术，系统地研究了在太赫兹（Terahertz, THz）波作用下，DWCNTs对水和离子的传输行为。

通过模拟实验，研究发现，THz波能够显著提升DWCNTs的水通量和离子排斥能力。这种提升主要归因于THz波与水分子氢键（Hydrogen Bonds, Hbonds）之间的共振效应以及由压力驱动的水分子传输机制。在特定的THz场强下，例如A=2.0 V/nm时，所有类型的DWCNTs都表现出接近100%的离子排斥效率。这表明，THz波不仅能够增强水的流动速度，还能够有效阻止离子的通过，从而实现高效的脱盐效果。此外，研究还发现，在频率为f=10 THz时，所有DWCNTs均达到最高离子排斥性能，这一现象主要与离子在DWCNTs内部的受限传输有关，同时保持了较高的水通量。

进一步分析显示，随着内层CNT半径的增加，(8,8)和(9,9)类型的DWCNTs表现出最佳的离子排斥性能。这可能与这些DWCNTs独特的尺寸排阻特性有关，即较大的内径能够更好地限制离子的运动，同时允许更多的水分子通过。这一发现为优化DWCNTs在脱盐应用中的性能提供了新的思路，也表明了尺寸调控在提高离子排斥效率中的重要性。

此外，研究团队还探讨了THz波在纳米尺度流体传输中的作用机制。在不同的DWCNT结构中，THz波通过共振效应影响水分子的运动状态，促使氢键断裂，从而形成更流动的水网络。这种效应在纳米流体系统中尤为显著，因为水分子的运动受到纳米通道尺寸的限制，而THz波的引入能够有效改变这一状态，提高水的渗透速度。同时，THz波还能够增强水分子在纳米通道中的流动效率，从而实现高效的水传输。

在水处理技术中，压力驱动的膜系统被认为是解决传统方法局限性的有效手段。与传统的无滑移Hagen-Poiseuille流相比，压力驱动的水分子传输在CNT膜中得到了显著增强，其水通量可提高5个数量级。这表明，压力驱动机制在提高水分子传输效率方面具有重要作用。然而，压力驱动的水分子传输往往伴随着离子选择性与水通量之间的权衡，即在提高水通量的同时，可能会降低离子的分离效率。因此，如何在压力驱动下实现水通量与离子排斥的同步优化，成为当前研究的重要方向。

研究团队通过MD模拟，揭示了THz波在DWCNTs中对脱盐性能的影响。模拟结果显示，随着THz场强的增加，水通量呈现出明显的上升趋势，同时离子的传输速度被有效抑制。这种双重效应使得DWCNTs在脱盐过程中表现出优异的性能。具体而言，THz波能够通过共振效应改变水分子的运动状态，促使氢键断裂，从而形成更流动的水网络。这种变化不仅提高了水的渗透速度，还增强了DWCNTs对离子的排斥能力。

此外，研究还发现，在THz波的作用下，DWCNTs的离子传输行为受到显著影响。当THz场强达到特定值时，离子在DWCNTs内部的运动受到限制，从而提高了离子的排斥效率。这种现象主要与THz波与DWCNTs内部的氢键之间的相互作用有关，而这种相互作用在不同的DWCNT结构中表现出不同的效果。例如，(8,8)和(9,9)类型的DWCNTs在特定的场强下表现出最佳的离子排斥性能，这可能与其独特的尺寸排阻特性有关。

在实际应用中，DWCNTs的尺寸和结构对脱盐性能具有重要影响。研究团队通过调整内层CNT的半径，探讨了不同尺寸的DWCNTs在THz波作用下的脱盐效率。结果显示，随着内层CNT半径的增加，脱盐性能逐渐提升，并在特定的半径下达到峰值。这表明，尺寸优化是提高DWCNTs脱盐性能的关键因素之一。

综上所述，THz波在DWCNTs中的应用不仅能够显著提升水通量和离子排斥能力，还能够通过共振效应和压力驱动机制实现高效的脱盐效果。这一研究为开发高性能的纳米过滤膜系统提供了新的思路和方法，同时也揭示了THz波在纳米尺度流体传输中的重要作用。未来，随着对THz波与DWCNTs相互作用机制的进一步研究，有望在水处理、离子分离和环境治理等领域实现更多突破。