工程师们发现了一种创新的方法，避免了为纳米多孔膜单独挖掘亚纳米孔的繁琐任务，而是选择同时创建多个孔。该团队开发了一种新技术，涉及设计具有特定弱点的材料，并使用远程电场高效地同时生成许多纳米级孔。
纳米多孔膜，具有小于十亿分之一米的原子级开口，在净化被污染的水、提取有价值的金属离子和为渗透发电机供电方面具有巨大的前景。
尽管有潜力，这些应用面临的主要挑战是逐个钻出单独的亚纳米孔的费力过程。
“为了将二维材料膜扩展到实验室之外的实际应用，当前的‘一次一个孔’的方法根本行不通，”来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院的博士毕业生艾利·霍尼格（Eli Hoenig）表示。“即使在实验室环境中，纳米多孔膜产生的信号明显强于单个孔，增强了灵敏度。”
霍尼格作为最近一篇《自然通讯》论文的第一作者，确定了解决这一长期挑战的创造性解决方案。与PME助理教授刘冲（Chong Liu）合作，团队开发了一种孔生成技术，涉及创建具有预定弱点的材料，并施加远程电场以同时生成多个纳米级孔。
刘解释道：“我们的概念是预先设计材料的结构，并指示弱点的位置。当我们启动孔生成时，该电场将首先针对这些较弱的区域，创造孔。”
弱点的力量
通过分层聚晶二硫化钼，团队可以指导晶体交汇的地点。
刘注意到：“想象两个完美的晶体。当它们结合在一起时，它们并不是简单无缝地结合；它们的连接点有一个边界，被称为晶界。”
这使得他们能够以令人印象深刻的精确度“预模式”这些晶界及所产生的孔。
此外，通过这种方法，不仅可以调整孔的位置；孔的密度甚至大小也可以预先确定。研究人员能够将孔的大小从4纳米修改到小于1纳米。
这种能力为水处理、电池和其他各种应用系统的设计提供了多样性。
刘强调：“有需求需要准确地创建和限制孔，但传统方法限制你一次只能制作一个孔。这就是为什么我们建立了一种方法，可以实现高密度孔的同时，仍能精确控制每个孔的大小和精度。”
尽管这种技术有各种潜在应用，霍尼格对其环境益处尤其热衷。这些益处包括水处理和回收锂等有价值的材料，这对向可再生能源转型所需的电网规模电池至关重要。
霍尼格表示：“集中水净化和资源回收在根本上是相互关联的，两者在基础科学层面上都至关重要。”
刘补充说，这项新研究是与PME教授雪莉·孟（Shirley Meng）专注于电池的实验室和PME助理教授杨烁龙（Shuolong Yang）的量子小组的跨学科合作的产物。三个实验室之前曾共同合作，克服在晶体上生长量子比特的重大挑战。
刘表示：“我们的团队旨在开发多种材料和特性的精确合成技术。我们共同探索如何操控材料的成分、结构和缺陷，以准确地制造特定的孔和缺陷。”
