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29
2026
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05
Nat. Commun.: 不是“带水走”，而是“接力跳”，纳米限域下离子传输新机制
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背景
离子交换膜是燃料电池、液流电池与离子分离等技术的核心材料，其性能高度依赖离子在纳米通道中的传输行为。然而，传统聚合物膜通常呈无序结构，在水化过程中易发生溶胀与相分离，使孔道尺寸与局部化学环境不断变化，导致离子传输机制复杂且难以解析。结构无序 + 水化耦合 → 机制难以厘清。在这一背景下，经典的“载体迁移”与“跳跃传输”模型虽被广泛使用，但它们往往基于宏观平均行为，难以真正揭示纳米尺度下离子与水、膜之间的动态相互作用。因此，如何在结构可控的体系中建立微观动力学与宏观传输之间的直接关联，成为理解与优化离子传输的关键问题。
创新
近日，美国匹兹堡大学Jessica M. Anna教授团队基于高度有序的纳米多孔聚合物膜，提出并验证了一种新的离子传输机制——“单接触交换型协同跳跃机制”。通过二维红外光谱（2DIR）、电化学阻抗谱（EIS）与分子动力学模拟的多尺度联用，研究*在分子层面揭示：在强纳米限域环境下，离子并非携带完整水化壳层迁移，而是通过与相邻带电位点保持持续接触，在多个配位环境之间完成“接力式交换”。这一过程由离子–离子与离子–水之间的协同作用共同驱动。进一步研究发现，水的作用并非简单“增加通量”，而是通过调控离子对相互作用与溶剂化结构，改变离子跳跃速率与传输能垒。宏观电导率与微观跳跃时间之间呈现非线性关系，表明离子传输具有显著的相关性行为，突破了传统Nernst–Einstein独立扩散模型的假设。
意义
该工作突破了传统离子传输模型的认知，提出在纳米限域条件下，离子迁移遵循协同关联而非独立扩散的新机制，为理解高性能膜材料中的传输行为提供了全新视角。更重要的是，研究揭示了两个关键设计原则：一是通过调控阳离子–阴离子配位强度实现对传输能垒的“焓控制”，二是通过调节水化壳层动态实现“熵调控”。这为下一代高性能离子交换膜的设计提供了明确方向。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/fL4W-P3psKAh2KApuiXSwQ
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