pH-dependent water permeability switching and its memory in MoS2 membranes

化学物理 渗透 离子 纳米技术 磁滞 纳滤 生物物理学 材料科学 化学 物理 生物 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Chengyi Hu,Amritroop Achari,P.N. Rowe,Hui Xiao,Swathi Suran,Zhe Li,Kun Huang,Chenglong Chi,Christie Thomas Cherian,Vishnu Sreepal,Phillip Bentley,Andrew Pratt,Ning Zhang,Kostya S. Novoselov,Angelos Michaelides,Rahul R. Nair
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:616 (7958): 719-723 被引量:87
标识
DOI:10.1038/s41586-023-05849-4
摘要

Intelligent transport of molecular species across different barriers is critical for various biological functions and is achieved through the unique properties of biological membranes1-4. Two essential features of intelligent transport are the ability to (1) adapt to different external and internal conditions and (2) memorize the previous state5. In biological systems, the most common form of such intelligence is expressed as hysteresis6. Despite numerous advances made over previous decades on smart membranes, it remains a challenge to create a synthetic membrane with stable hysteretic behaviour for molecular transport7-11. Here we demonstrate the memory effects and stimuli-regulated transport of molecules through an intelligent, phase-changing MoS2 membrane in response to external pH. We show that water and ion permeation through 1T' MoS2 membranes follows a pH-dependent hysteresis with a permeation rate that switches by a few orders of magnitude. We establish that this phenomenon is unique to the 1T' phase of MoS2, due to the presence of surface charge and exchangeable ions on the surface. We further demonstrate the potential application of this phenomenon in autonomous wound infection monitoring and pH-dependent nanofiltration. Our work deepens understanding of the mechanism of water transport at the nanoscale and opens an avenue for the development of intelligent membranes.
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