随着工业和人口增长的进步，对淡水的需求一直增长已成为一个巨大的困境，海水淡化已成为获取淡水的流行方式。目前，反渗透（RO）技术在海水淡化中的应用最为广泛，然而，用于反渗透的膜材料目前未能充分的发挥其化学稳定性的潜力，并且由于氯化而受到结垢、结垢和降解的影响;此外，在保持较高脱盐水平的同时，提高水通率和降低能耗也变得必要。因此，需要开发先进的过滤膜。
二维纳米多孔材料因其独特的理化性质而受到大家的广泛关注，并且由于其原子厚度尺寸，它们表现出优异的海水淡化性能，可以精确调节水的传输分子和离子。具有原子厚纳米片的二维（2-d）纳米材料可以堆叠形成层状膜，例如，层状GO膜在调节GO层之间的距离时表现出非常好的离子排斥。从经典流体动力学来看，在生物和人工系统中，如此小的通道的穿透壁垒都很高。实现水分子在膜通道中的单向传输和盐离子的去除，实现高效、低功耗、高质量的海水淡化具备极其重大意义。
受生物结构或通道（图1（a1，a2））的启发，结合限制过滤（图1（b）），使用单层石墨烯片构建由楔形和层间部分所组成的生物启发纳滤通道，如图1（c）所示。C-C键长设定为0.142 nm，所有衬底原子在模拟中是固定的。下层石墨烯的尺寸为100 nm × 2.5 nm（具有30 nm长的楔形区域和70 nm长的层间区域）。楔形壁之间形成夹角α，d为层间受限通道的层间距离（α和d可根据自身的需求调整）。此外，通道的渗透性能够准确的通过实验报告进行调节，即亲水性和疏水性之间的过渡能够最终靠添加铜基底来实现，利用石墨烯润湿性的透明度。刚性扩展简单点电荷势（SPC/E）用于描述水分子
图1 仿生学设计的纳米通道。(a1)纺锤结表面结构各向异性产生液滴的运动。(a2)生物水通道是指水在通过狭窄的空间之前，先通过一个楔形的前庭。(b)用于分离应用的具有有限孔隙或空间的二维纳米材料。(c)模拟模型示意图：通道由楔形通道和纳米约束通道组成
通道的可润湿性的改变能够最终靠将Cu衬底添加到石墨烯的外表面来实现，这由于石墨烯片的润湿透明度而将液滴的接触角从127°减小到42.5°，如图2（a1-a2，b1-b2）所示。当加入上述铜离子载体时，水分子可以自发地从楔形通道的开口端移动到窄端，并注入具有亲水壁的受限通道。在受限通道中能轻松实现有效的离子过滤，因为计算出的Na+和Cl−的水合半径大于水分子的半径（图2（c1-c4））。这种仿生纳米通道在使用一段时间后会导致膜污染，如在大多数过滤膜中所见，这是由于离子卡在受限纳米通道的入口处。当去除衬底时，通道的润湿性变为疏水性，能轻松实现液滴包裹的离子的反向传输，并从受限通道喷射到楔形通道开口端，实现通道的自清洁，如图2（c4-c6）所示。根据结果得出，仿生纳米通道能够最终靠改变不规则通道的亲水性来控制液滴的输运方向，可用于离子过滤，实现通道的自清洁
图2 离子过滤和自清洁中的仿生纳米通道。(a1)铜基板石墨烯表面水滴示意图。石墨烯表面由于其渗透透明度而表现出亲水特性，模型表面水分子的密度分布如图（a2）所示。(b1-b2)示意图和石墨烯表面水滴的密度分布。(c1-c6)水分子可以自发地注入铜基板下的亲水通道中的受限通道中，并且由于受限通道的尺寸限制而能轻松实现离子过滤。当离子在受限通道入口处积聚发生阻塞时，去除铜基板后，能轻松实现包裹有离子的液滴在疏水通道中的反向传输，实现通道的自清洁。灰色箭头表示液滴的传输方向。（夹角α为30°、层间约束通道层间距d为0.7 nm的仿生纳米通道的透水和脱盐率，有报道狭缝间距时脱盐率95%为6–8 Å。）
接下来，阐明水滴的自驱动传输机制。约束通道的入口最初被封锁，以便观察者能够区分运动的每个阶段。从图3（a）中液滴的运动能够准确的看出，相对于非对称几何形状，楔形通道能轻松实现液滴向尖端位置的定向运动，当去除堵塞时，液滴将注入约束通道。液滴的运动行为其实就是势能（Ep）作用的结果，如图3（a）所示。Ep随着液滴在楔形通道内向尖端部位移动而减小，到达尖端后保持稳定值，当去除堵塞时，Ep随着液滴继续进入受限通道而略有减小，直到液滴已完全注入受限通道（这样的一个过程伴随着能量的迅速下降）。建立分析模型如图3(b)所示；液滴的运动沿楔形通道方向被拉长，沿垂直于通道轴线的方向被压缩，从而获得较大的固液接触面积和较小的气液接触面积。可忽略液滴气液界面曲面的变化，将液滴近似为沿着楔形通道移动的变形梯形。
图3 液滴运动机制。(a)势能（每个水分子）与模拟时间的关系。右上角插图显示了液滴在亲水通道中的运动，运动过程可分为四个阶段：(I)液滴向楔形通道中的狭窄端口运动；(II)液滴到达楔形通道的尖端，没有进入堵塞下的约束通道；去除堵塞后，液滴开始(III)和完全(IV)注入纳米约束通道。过程I中水分子的能量变化在左下内部图中被放大。(b)楔形通道内液滴的简化模型。液滴由气液界面的水分子、固液界面的水分子以及本体水组成。(c)过程I的MD结果（星形符号）和理论预测（虚线）中相对于液滴位置的势能（每个水分子）。插图显示水分子在界面处有两个密度峰壁的两层水被视为固液界面水，厚度为0.8 nm。(d)沿θ=α/2的每单位面积范德华力ωvdW的理论驱动功作为液滴与楔形通道壁的接触长度的函数以及过程III中随时间的变化（锥角）楔形通道的角度为45°，层间距d为0.7 nm）。(e)模拟和理论喷射长度L2作为模拟时间的函数
液滴的运动与楔形通道的锥角紧密关联。图4（a）显示了不同锥角下进入层间约束通道的水分子数量随模拟时间的变化。较小的锥角导致更多的水分子同时进入约束通道，液滴以均匀的速度注入约束通道，水分子数量随模拟时间线(e)结果一致。与其他自发液滴运动机制相反，较大的张角有利于较大液滴的运动。当层间约束通道连接在楔形通道的末端时，非对称几何形状的小张角的通道中的水滴被驱动得更快（图4（b））。这是因为注射过程的驱动力来自于水分子的分离压力。当液滴注入约束通道时，ϖvdW减小并且减小得更快。在张角较小的通道中，范德华驱动力所做的功较大。图4(d)表明，在注射过程之前的初始时间，该功ϖvdW和与张角相关的系数对于张角α而言是这样的：θ=sin2α (3cotα2+cot3α2)；θ在ϖvdW的变化中占主导地位，θ在较小的角度下增加，因为液滴与通道壁的接触面积较大，如图4(d)的插图所示
图4 楔形通道锥角对注射过程的影响。(a)不同张开角度下层间约束通道中水分子的数量随模拟时间的变化（时间从液滴注入约束通道开始，层间距d为0.7 nm）。(b)不同楔块张角的注射过程所需的时间。(c)受限通道轴向(θ=α/2)上单位面积范德华力ϖvdW的驱动功与不同楔块张角下的接触长度L1的函数关系。(d)ϖvdW与内角α之间的关系
从水通道蛋白纳米通道的复杂结构中汲取灵感，设计了一种新颖的、不均匀的、自脱盐、自清洁的纳米通道，它允许自驱动液滴从楔形通道注入纳米约束通道。根据结果得出，较小的楔形张角和较大的受限通道层间距可显着提高注射过程的效率。海水淡化过程是通过微调限制通道的尺寸来实现的。此外，这允许通过从通道移除基底来反向传输液滴，从而将通道的润湿性从亲水性反转为疏水性，以此来实现通道的自清洁机制。这项研究展示了一种高效、节能、可重复使用的过滤通道模型。我们的研究结果有可能彻底改变下一代海水淡化厂的设计，提供性能和环境可持续性的新范例。
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