纳米通道作为一种重要的纳米结构，广泛存在于从生命科学到能源科学的多个学科领域，尤其在纳米传感器、能量收集、离子电路等前沿技术中展现出巨大的应用潜力。提高其输运性能与储能水平，对增强其在不同应用场景下的表现至关重要。然而，当前对影响纳米通道性能的端口效应的微观理解尚不充分，此外，尽管已经提出了一些优化通道模型，但缺乏可行的制备手段。近期，力学所团队提出了一种基于溶解的纳米通道形状优化方法，可显著提高纳米通道的输运性能与储能水平。该研究不仅为纳米通道的溶解流动现象提供了理论见解，还为优化纳米通道的实际制造提供了可行的策略。该工作以“Shape Optimization of Nanopores by Dissolutive Flow”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

溶解可以去除阻碍溶液达到最低能量的固体粒子，是降低端口效应影响、优化纳米通道性能的有效手段。在这项研究中，研究团队采用分子动力学模拟，对纳米通道进行溶解优化，获得了通道入口和出口优化形状。通过分析通道内部的液体压强与固体应力分布，阐明了形状演变和端口效应的关联机制。在液体流动时，圆柱形入口由于较高的压强峰值而阻碍液体流入，这种现象被称为“蓄水模式”。随着溶解的进行，压强峰值显著降低，流动逐渐转变为“滑动模式”。研究中还考察了三种参数：溶解能力、流体速度和通道长度对溶解优化过程的影响，进一步阐明了纳米通道溶解优化的机理，并得到指导实际制备的规律。同时，开展了多组对照实验，得到与模拟结果相似的优化形状，证实了纳米通道制备的可行性。此外，利用模拟考察了不同纳米通道的输运性能和储能水平。通过对比发现，优化后的纳米通道可以显著降低流体动阻力，并提高充电效率。

力学所博士研究生田诗豪为论文第一作者，袁泉子研究员为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金（12241205, 12032019）、中国科学院战略性先导科技专项（XDB0620101, XDB0620103）及国家重点研发计划（2022YFA1203200）的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c22605

图1 (a) 纳米通道溶解模拟的轮廓演化；(b) 溶解粒子数变化；(c) 不同部分的半径变化；(d, e) 优化入口、出口的形状拟合

图2 不同进出口形状纳米通道的输运测试。(a) 模拟系统示意图；(b-d) 不同形状通道的原子视图；(e) 不同通道的累计通量变化；(f) 不同通道的水动力阻；(g) 不同通道的液体压强分布；(h) 不同通道的进出口压差

图3 不同进出口形状纳米通道的储能测试。(a) 模拟系统的原子视图；(b) 不同电极在充电过程中的总电荷演化；(c) 左：不同电极的电容量，右：不同电极的充电时间；(d) 不同电极的充电速率 ξ