劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的研究人员发现，碳纳米管膜孔可以实现超快速透析过程，从而大大缩短血液透析患者的治疗时间。在复杂溶液中分离分子成分的能力对于许多生物和人造过程至关重要。一种方法是通过在多孔膜上施加浓度梯度。这将小于孔径的离子或分子从膜的一侧驱动到另一侧，同时阻止任何太大而无法通过孔的物质。

在自然界中，肾脏或肝脏中的生物膜可以执行复杂的过滤，同时仍保持高通量。然而，合成膜经常在选择性和渗透性之间进行众所周知的权衡。决定哪些物质可以通过和哪些物质不能通过膜的相同材料特性不可避免地会降低过滤发生的速度。

在Advanced Science杂志上发表的一项令人惊讶的发现中，LLNL 研究人员发现碳纳米管孔(直径比人的头发小数千倍的石墨圆柱体)可能为渗透性与选择性权衡提供解决方案。当使用浓度梯度作为驱动力时，发现钾、氯和钠等小离子通过这些微小孔的扩散速度比在大量溶液中移动的速度快一个数量级以上。

“这个结果是出乎意料的，因为文献中的普遍共识是，这种直径的孔中的扩散速率应该等于或低于我们在大块中看到的扩散速率，”该论文的第一作者史蒂文·布克斯鲍姆说。

“我们的发现丰富了最近在几纳米范围内发现的令人兴奋但往往知之甚少的纳米流体现象的数量，”该项目的首席研究员 Francesco Fornasiero 补充道。

该团队认为这项工作在多个技术领域具有重要意义。采用碳纳米管作为传输通道的膜可以实现超快速血液透析过程，从而大大缩短治疗时间。同样，纯化蛋白质和其他生物分子以及从电解质溶液中回收有价值的产品的成本和时间可以大大减少。小石墨孔中增强的离子传输可以使超级电容器具有高功率密度，即使孔径与离子的孔径非常接近。

为了进行这些研究，该团队利用了先前开发的膜，该膜仅允许通过具有几纳米直径的排列的碳纳米管的中空内部进行传输。使用定制的扩散池，在这些膜上施加浓度梯度，并测量各种盐和水的传输速率。“我们已经开发了严格的控制测试，以确保记录的大离子通量没有其他可能的解释，例如通过泄漏或我们膜中的缺陷发生的传输，”Buchsbaum 说。

为了更好地理解为什么会发生这种行为，该团队寻求了几位 LLNL 专家的帮助。Anh Pham 和 Ed Lau 使用计算模拟，April Sawvel 使用核磁共振波谱研究碳纳米管内离子的运动。成功排除了几种可能的解释，使图片更加清晰。然而，对观察到的传输速率的完整、定量的理解仍在开发中。