纳米受限水的研究进展

孙怡然 于飞 马杰

引用本文: 孙怡然,  于飞,  马杰. 纳米受限水的研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(11): 2173-2183. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705312 shu
Citation:  SUN Yi-Ran,  YU Fei,  MA Jie. Research Progress of Nanoconfined Water[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(11): 2173-2183. doi: 10.3866/PKU.WHXB201705312 shu

纳米受限水的研究进展

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21577099,51408362)和江苏省自然科学基金(BK20151300)资助项目

摘要: 水是生命之源,在人类生存和社会生产中扮演了极其重要的角色,然而水的反常性质及在物理、化学、生物过程等领域中的作用和机理却仍存在很多谜团。近年来,水科学研究已逐渐成为科学研究的热点之一。地球上的水大部分是体相水,但在自然界和科学研究中,水同样会以界面/受限水的形式参与到物理、化学过程中。纳米受限水普遍存在于自然及合成的纳米环境中,受限水与体相水的差异主要体现在水的动力学及热力学性质的改变,受限水的存在对材料在生物、环境、地质和传感器等领域的应用也具有深远的影响。本文对纳米受限水的结构进行分析,并归纳了纳米受限水的动力学、热力学以及电学特性,对纳米受限水的研究手段及发展历程进行分类总结,举例介绍了纳米受限水在环境和能源等领域的潜在应用,最后对受限水研究进展及存在问题进行了总结,并对其后续发展进行展望。

English

    1. [1]

      (1) Raviv, U.; Laurat, P.; Klein, J. Nature 2001, 413 (6851), 51. doi: 10.1038/35092523

    2. [2]

      (2) Bampoulis, P.; Witteveen, J. P.; Kooij, E. S.; Lohse, D.; Poelsema, B.; Zandvliet, H. J. W. ACS Nano 2016, 10 (7), 6762. doi: 10.1021/acsnano.6b02333

    3. [3]

      (3) Crupi, V.; Fontana, A.; Majolino, D.; Mele, A.; Melone, L.; Punta, C.; Rossi, B.; Rossi, F.; Trotta, F.; Venuti, V. J. Inclusion Phenom. Macrocyclic Chem. 2014, 80 (1-2), 69. doi: 10.1007/s10847-014-0387-5

    4. [4]

      (4) Falk, K.; Sedlmeier, F.; Joly, L.; Netz, R. R.; Bocquet, L. Nano Lett. 2010, 10 (10), 4067. doi: 10.1021/nl1021046

    5. [5]

      (5) Nakamura, Y.; Ohno, T. Mater. Chem. Phys. 2012, 132 (2-3), 682. doi:10.1016/j.matchemphys.2011.11.086

    6. [6]

      (6) Kumar, P.; Han, S.; Stanley, H. E. J. Phys.-Condes. Matter. 2009, 21 (50). doi: 10.1088/0953-8984/21/50/504108

    7. [7]

      (7) Laage, D.; Thompson, W. H. J. Chem. Phys. 2012, 136 (4). doi: 10.1063/1.3679404

    8. [8]

      (8) Gordillo, M. C.; Martí, J. Chem. Phys. Lett. 2000, 329 (5-6), 341. doi: 10.1016/S0009-2614(00)01032-0

    9. [9]

      (9) Kocherbitov, V. J. Phys. Chem. C 2008, 112 (43), 16893. doi: 10.1021/jp805247b

    10. [10]

      (10) Song, R.; Feng, W.; Jimenez-Cruz, C. A.; Wang, B.; Jiang, W.; Wang, Z.; Zhou, R. RSC Adv. 2015, 5 (1), 274. doi: 10.1039/c4ra13736a

    11. [11]

      (11) Bernardina, S. D.; Paineau, E.; Brubach, J. B.; Judeinstein, P.; Rouziere, S.; Launois, P.; Roy, P. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138 (33), 10437. doi: 10.1021/jacs.6b02635

    12. [12]

      (12) Odelius, M.; Bernasconi, M.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 1997, 78 (14), 2855. doi: 10.1103/PhysRevLett.78.2855

    13. [13]

      (13) Agrawal, K. V.; Shimizu, S.; Drahushuk, L. W.; Kilcoyne, D.; Strano, M. S. Nat. Nanotechnol. 2017, 12 (3), 267. doi: 10.1038/nnano.2016.254

    14. [14]

      (14) Crupi, V.; Interdonato, S.; Longo, F.; Majolino, D.; Migliardo, P.; Venuti, V. J. Raman Spectrosc. 2008, 39 (2), 244. doi: 10.1002/jrs.1857

    15. [15]

      (15) Sun, C. K.; You, B.; Huang, Y. R.; Liu, K. H.; Sato, S.; Irisawa, A.; Imamura, M.; Mou, C. Y. Opt. Lett. 2015, 40 (12), 2731. doi: 10.1364/ol.40.002731

    16. [16]

      (16) Fernandez, M. S.; Peeters, F. M.; Neek-Amal, M. Phys. Rev. B 2016, 94 (4). doi: 10.1103/PhysRevB.94.045436

    17. [17]

      (17) Chialvo, A. A.; Vlcek, L.; Cummings, P. T. Mol. Phys. 2015, 113 (9—10), 1033. doi: 10.1080/00268976.2014.968228

    18. [18]

      (18) Takata, K.; Matsuzaki, T.; Tajika, Y.; Ablimit, A.; Suzuki, T.; Aoki, T.; Hagiwara, H. Acta Histochemica Et Cytochemica 2005, 38 (3), 199. doi: 10.1267/ahc.38.199

    19. [19]

      (19) Yang, X.; Yang, X.; Liu, S. Chin. J. Chem. Eng. 2015, 23 (10), 1587. doi: 10.1016/j.cjche.2015.05.015

    20. [20]

      (20) Byl, O.; Liu, J. C.; Wang, Y.; Yim, W. L.; Johnson, J. K.; Yates, J. T. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (37), 12090. doi:10.1021/ja057856u

    21. [21]

      (21) Zhu, Y.; Wang, F.; Bai, J.; Zeng, X. C.; Wu, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016, 18 (32), 22039. doi: 10.1039/C6CP03061K

    22. [22]

      (22) Xu, K. M.; Liu, Y. J.; Liu, H. S. Zeitschrift Für Anorganische Und Allgemeine Chemie 2012, 43 (32), 1018. doi:10.1002/zaac.201200023

    23. [23]

      (23) Algara-Siller, G.; Lehtinen, O.; Wang, F. C.; Nair, R. R.; Kaiser, U.; Wu, H. A.; Geim, A. K.; Grigorieva, I. V. Nature 2015, 519 (7544), 443. doi: 10.1038/nature14295

    24. [24]

      (24) Chen, J.; Schusteritsch, G.; Pickard, C. J.; Salzmann, C. G.; Michaelides, A. Phys. Rev. Lett. 2016, 116 (2). doi: 10.1103/PhysRevLett.116.025501

    25. [25]

      (25) Qian, Z.; Wei, G. J. Phys. Chem. A 2014, 118 (39), 8922. doi: 10.1021/jp500989t

    26. [26]

      (26) Agre, P. Néphrologie 1996, 17 (7), 409. doi: 10.1038/ki.1995.389

    27. [27]

      (27) Hummer, G.; Rasaiah, J. C.; Noworyta, J. P. Nature 2001, 414 (6860), 188. doi: 10.1038/35102535

    28. [28]

      (28) Radha, B. Nature 2016, 538 (7624), 222. doi: 10.1038/nature19363

    29. [29]

      (29) Mosaddeghi, H.; Alavi, S.; Kowsari, M. H.; Najafi, B. J. Chem. Phys. 2012, 137 (18). doi: 10.1063/1.4763984

    30. [30]

      (30) Moulod, M.; Hwang, G. J. Appl. Phys. 2016, 120 (19). doi: 10.1063/1.4967797

    31. [31]

      (31) Hummer, G.; Rasaiah, J. C.; Noworyta, J. P. Nature 2001, 414 (6860), 188. doi: 10.1038/35102535

    32. [32]

      (32) Radha, B.; Esfandiar, A.; Wang, F. C.; Rooney, A. P.; Gopinadhan, K.; Keerthi, A.; Mishchenko, A.; Janardanan, A.; Blake, P.; Fumagalli, L. Nature 2016, 538 (7624). doi:10.1038/nature19363

    33. [33]

      (33) Diallo, S.; Mamontov, E.; Nobuo, W.; Inagaki, S.; Fukushima, Y. Phys. Rev. E 2012, 86 (2), 021506. doi:10.1103/PhysRevE.86.021506

    34. [34]

      (34) Bonthuis, D. J.; Gekle, S.; Netz, R. R. Langmuir 2012, 28 (20), 7679. doi: 10.1021/la2051564

    35. [35]

      (35) Wang, D. W.; Du, A.; Taran, E.; Lu, G. Q.; Gentle, I. R. J. Mater. Chem. 2012, 22 (39), 21085. doi: 10.1039/c2jm34476a

    36. [36]

      (36) Nagy, G.; Gordillo, M. C.; Guardia, E.; Marti, J. J. Phys. Chem. B 2007, 111 (43), 12524. doi: 10.1021/jp073193m

    37. [37]

      (37) Renou, R.; Szymczyk, A.; Maurin, G.; Malfreyt, P.; Ghoufi, A. J. Chem. Phys. 2015, 142 (18). doi: 10.1063/1.4921043

    38. [38]

      (38) Artemov, V. G. Meas. Sci. Technol. 2017, 28 (1). doi: 10.1088/1361-6501/28/1/014013

    39. [39]

      (39) Muscatello, J.; Jaeger, F.; Matar, O. K.; Mueller, E. A. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8 (19), 12330. doi: 10.1021/acsami.5b12112

    40. [40]

      (40) Neek-Amal, M.; Peeters, F. M.; Grigorieva, I. V.; Geim, A. K. ACS Nano 2016, 10 (3), 3685. doi: 10.1021/acsnano.6b00187

    41. [41]

      (41) Zhu, Y.; Wang, F.; Bai, J.; Zeng, X. C.; Wu, H. ACS Nano 2015, 9 (12), 12197. doi: 10.1021/acsnano.5b06572

    42. [42]

      (42) Mozaffari, F. Mol. Simul. 2016, 42 (17), 1475. doi: 10.1080/08927022.2016.1204659

    43. [43]

      (43) Marti, J.; Sala, J.; Guardia, E.; Gordillo, M. C. Phys. Rev. E 2009, 79 (3). doi: 10.1103/PhysRevE.79.031606

    44. [44]

      (44) Elamin, K.; Jansson, H.; Kittaka, S.; Swenson, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15 (42), 18437. doi: 10.1039/c3cp51786a

    45. [45]

      (45) Lei, Y.; Child, J. R.; Tsavalas, J. G. Colloid. Polym. Sci. 2013, 291 (1), 143. doi: 10.1007/s00396-012-2693-z

    46. [46]

      (46) Suzuki, Y.; Steinhart, M.; Graf, R.; Butt, H.-J.; Floudas, G. J. Phys. Chem. B 2015, 119 (46), 14814. doi: 10.1021/acs.jpcb.5b08751

    47. [47]

      (47) Acik, M.; Mattevi, C.; Gong, C.; Lee, G.; Cho, K.; Chhowalla, M.; Chabal, Y. J. ACS Nano 2010, 4 (10), 5861. doi: 10.1021/nn101844t

    48. [48]

      (48) Dai, H.; Liu, S.; Zhao, M.; Xu, Z.; Yang, X. Microfluid. Nanofluid. 2016, 20 (10). doi: 10.1007/s10404-016-1805-3

    49. [49]

      (49) Harrach, M. F.; Drossel, B.; Winschel, W.; Gutmann, T.; Buntkowsky, G. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (52), 28961. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b09537

    50. [50]

      (50) Zhao, M.; Yang, X. J. Phys. Chem. C 2015, 119 (37), 21664. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b03307

    51. [51]

      (51) Ma, J.; Yang, M.; Yu, F.; Zheng, J. Sci. Rep. 2015, 5. doi: 10.1038/srep13578

    52. [52]

      (52) Li, X.; Xu, W.; Tang, M.; Zhou, L.; Zhu, B.; Zhu, S.; Zhu, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016, 113 (49), 13953. doi: 10.1073/pnas.1613031113

    53. [53]

      (53) Dai, H.; Xu, Z.; Yang, X. J. Phys. Chem. C 2016, 120 (39), 22585. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b05337

    54. [54]

      (54) Phan, A.; Cole, D. R.; Weiss, R. G.; Dzubiella, J.; Striolo, A. ACS Nano 2016, 10 (8), 7646. doi: 10.1021/acsnano.6b02942

    55. [55]

      (55) Wen, L.; Jiang, L. National Science Review 2014, 1 (1), 144. doi: 10.1093/nsr/nwt001

    56. [56]

      (56) Calvo, A.; Yameen, B.; Williams, F. J.; Soler-Illia, G. J. A. A.; Azzaroni, O. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (31), 10866. doi: 10.1021/ja9031067

    57. [57]

      (57) Liu, L.; Zhang, L.; Sun, Z.; Xi, G. Nanoscale 2012, 4 (20), 6279. doi: 10.1039/c2nr31847d

    58. [58]

      (58) Yang, X.; Zhu, J.; Qiu, L.; Li, D. Adv. Mater. 2011, 23 (25), 2833. doi: 10.1002/adma.201100261

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  1101
  • HTML全文浏览量:  195
文章相关
  • 收稿日期:  2017-04-10
  • 修回日期:  2017-05-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章