可调控的分子传输MXene膜晶体管

精确的离子筛分技术在资源提取、能源生产和环境修复等领域至关重要。二维材料层状膜因原子级厚度、表面亲水性等特性，为先进离子分离技术开辟了新途径。MXene作为一种过渡金属碳/氮化物，具有亲水性表面、优异的热机械稳定性和高导电性，是促进选择性快速离子传输的理想平台。然而，传统二维膜在水环境中易发生不受控溶胀，改变层间距和选择性，且其通道尺寸、表面性质等常被视为无法动态调节的固有属性。

本研究制备了层状MXene（Ti3C2Tx）纳米片膜，通过真空辅助过滤法获得约10微米厚、纳米片有序堆叠的自支撑膜。实验发现，对这种导电膜施加栅电压（-0.5至0.5 V，避免电化学降解），可显著调节钾离子（K+）、镁离子（Mg2+）、铝离子（Al3+）等的渗透速率，且具有良好的可逆性——正电压增强离子流动，负电压则抑制。对于分子量75至1500 Da的中性糖和聚乙二醇（PEG）分子，膜的截留率也随栅电压变化，其有效分子量截留值（MWCO）可从-0.5 V时的200 Da调至+0.5 V时的850 Da，展现出优异的可调性。但当去除背景氯化钾（KCl）电解质或改用乙醇溶剂时，这种可调性消失，表明膜表面的离子平衡是关键调控机制。

原位广角X射线散射（WAXS）研究显示，栅电压虽会引起MXene层间距微小变化（负电压下收缩，正电压下膨胀），但幅度（约0.5 Å）远不足以解释传输特性的显著改变。相反，实验数据和连续体电动模型表明，MXene通道中的离子传输主要受膜-溶液界面的唐南平衡影响：栅电压改变表面电荷，进而调控局部离子浓度和浓度梯度，其中扩散是离子传输的主导机制，静电效应可将扩散速率提高6-9倍。

此外，在低频交流（AC）电压（0-300 Hz）栅控下，膜表现出“自泵”行为，钾离子和锂离子的渗透速率显著增强，在约100 Hz时达到饱和。这一现象被归因于膜内双电层充电过程与扩散渗透流的耦合，类似于交流电渗泵作用，可增强对流传输分量，从而同时提高离子和中性分子的渗透效率。

综上，MXene“晶体管”膜通过栅电压动态调控表面电荷和离子平衡，实现了对分子分离的实时控制，为药物递送、透析等应用提供了新的高效分离平台。