大阪大学
显示纳米孔中离子散热过程的示意图(左)
嵌入纳米孔一侧的纳米级温度计，用于检测电压驱动离子传输引起的局部温度变化(右图)
信用:2022 M
Tsutsui等人
固态孔隙中的离子散热
科学进展 大阪大学科学与工业研究所的科学家利用热电偶测量了通过纳米孔的离子流的热效应
他们发现，在大多数情况下，电流和加热功率都随着施加的电压而变化，正如欧姆定律所预测的那样
这项工作可能会带来更先进的纳米级传感器
纳米孔是膜上的微小开口，小到只有单个DNA链或病毒颗粒可以通过，是构建传感器的一个令人兴奋的新平台
通常，在膜的两侧之间施加电压，以通过纳米孔抽取待分析的物质
同时，溶液中的带电离子可以被传输，但是它们对温度的影响还没有被广泛研究
直接测量这些离子引起的热效应有助于使纳米孔作为传感器更加实用
现在，大阪大学的一组研究人员创造了一种由金和铂纳米线制成的热电偶，其接触点只有100纳米大小，可以作为温度计
它被用来测量直接靠近纳米孔的温度，纳米孔被切割成40纳米厚的薄膜，悬浮在硅晶片上
当电能被导线中的电阻转化为热量时，就会产生焦耳热
这种效应发生在烤面包机和电炉中，可以认为是电子与金属丝的原子核碰撞时的非弹性散射
就纳米孔而言，科学家发现热能的耗散与离子流的动量成正比，这符合欧姆定律的预测
当研究一个300纳米大小的纳米孔时，研究人员记录了磷酸盐缓冲盐水的离子电流作为外加电压的函数
“我们在广泛的实验条件下证明了近乎欧姆的行为，”第一作者Makusu Tsutsui说
对于更小的纳米孔，热效应变得更加明显，因为更少的流体可以从更冷的一侧通过来平衡温度
因此，加热会产生不可忽视的影响，纳米孔在标准操作条件下会经历几度的温度升高
资深作者Tomoji Kawai说:“我们期待新型纳米孔传感器的发展，这种传感器不仅可以识别病毒，还可能同时使病毒失活。”
研究人员提出了加热可能有益的其他情况——例如，防止纳米孔被聚合物堵塞，或者分离正在测序的DNA链
文章“固态孔隙中的离子散热”发表于科学进展
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