Proton Coulomb Blockade Effect Involving Covalent Oxygen-Hydrogen Bond Switching

共价键 质子 氧气 材料科学 库仑阻塞 氢键 原子物理学 库仑 物理 分子 核物理学 电压 量子力学 电子 晶体管
作者
Yuwei Cao,Wanqi Zhou,Chun Shen,Hu Qiu,Wanlin Guo
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:132 (18) 被引量:3
标识
DOI:10.1103/physrevlett.132.188401
摘要

Instead of the canonical Grotthuss mechanism, we show that a knock-on proton transport process is preferred between organic functional groups (e.g., -COOH and -OH) and adjacent water molecules in biological proton channel and synthetic nanopores through comprehensive quantum and classical molecular dynamics simulations. The knock-on process is accomplished by the switching of covalent O─H bonds of the functional group under externally applied electric fields. The proton transport through the synthetic nanopore exhibits nonlinear current-voltage characteristics, suggesting an unprecedented proton Coulomb blockade effect. These findings not only enhance the understanding of proton transport in nanoconfined systems but also pave the way for the design of a variety of proton-based nanofluidic devices.
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