2D 나노다공성 막에서 소수성 기공의 친수성이 단일 파일 물 흐름에 미치는 영향

초록

2차원(2D) 소재 개발의 최근 진전으로 원자 종 구성, 기공 기능화 등을 통해 다양한 표면 화학적 특성을 얻을 수 있게 되었습니다. 본 연구는 육각 2D 막에서 친수성 등 화학적 특성이 물 수송 속도에 미치는 영향에 초점을 맞췄습니다. 막-물 상호작용 강도를 조절하여 친수성을 변화시키고, 단일 파일 흐름이 우수한 염분 제거를 유지하는 것으로 알려진 서브나노미터 기공을 사용하여 조사했습니다. 소수성 기공의 탈수 행동으로 인해 물 흐름은 임계 상호작용 강도 아래에서 0 또는 미미했습니다. 임계 상호작용 강도 이상에서는 상호작용 강도 증가에 따라 물 흐름이 감소했습니다. 평균 힘 포텐셜(PMF) 분석과 확산 계수 계산에서 기공 입구 근접 영역이 고친수성 기공에서 물 흐름 저하의 지배적 요인임이 밝혀졌습니다. 또한 2D 막이 3D 막보다 우월한지는 상호작용 강도에 의존하는 것으로 나타났습니다. 본 연구 결과는 높은 여과율을 유지하는 2D 막 설계에 시사점을 줄 것입니다.

서론

단일 파일 물 수송은 합성 막[1, 2]이나 천연 막[3, 4]의 서브나노미터 나노기공에서 관찰되어 왔습니다. 서브나노미터 기공 내 단일 파일 물 형성은 탈수 자유 에너지 장벽을 형성하여 이온 이동을 효과적으로 방해합니다[5]. 탄소 나노튜브(CNT) 막에서 빠른 물 흐름과 높은 염분 제거율이 발견된 후[2, 6], 림 기능화, 전하 할당, 표면 수정 등 여러 요인이 수송 메커니즘 이해와 막 효율 향상을 위해 연구되었습니다[7-10]. 또한 그래핀 산화막은 그래핀 산화물 층간 간격을 서브나노미터 규모로 조절하여 이온 체질에 성공적으로 사용되었습니다[11].

그래핀[12]으로 시작된 2D 막의 발견은 여과와 담수화 막 분야에서 큰 주목을 받았습니다[13]. 단일 원자 두께의 기공 폭으로 마찰 압력 손실이 이론적으로 최소화되어 우수한 물 흐름을 얻을 수 있습니다[14]. 산소 플라즈마 에칭 공정으로 나노다공성 단일층 그래핀이 성공적으로 제작되어 기공 크기 제어가 가능해졌습니다[15, 16]. 거의 100% 염분 제거와 최대 10⁶ g/m²·s의 높은 물 흐름으로 담수화 막으로 성공적으로 사용되었습니다[16]. 분자 동역학(MD) 시뮬레이션으로도 높은 담수화 성능이 입증되었습니다[17]. 또한 나노다공성 그래핀 막은 기체 분리[18, 19]와 이온 분리[15, 20]에 효율적인 분자 체질 효과를 보였습니다.

그래프다이인[21, 22] 합성 성공 후 그래파인, 그래폰, 그래페인 등 다른 2D 그래핀 유도체들이 새로운 2D 소재 클래스로 주목받았습니다[23, 24]. 또한 기공 기능화나 화학 도핑을 이용한 표면 수정이 2D 막 기능 확장을 위해 도입되었습니다. 질소[25]나 니켈[26] 도핑이 우수한 촉매 활성을 보였습니다. 크라운 에테르가 그래핀 나노기공에 내장되어 기계적 감응 이온 이동[27]이나 선택적 이온 이동[20, 28]에 활용되었습니다. 피리딘 질소, 불소, 하이드록실로 그래핀 나노기공을 기능화하면 MD 시뮬레이션에서 담수화 효율이 향상되었습니다[29-31]. 천연 고다공성을 가진 그래파인-3과 그래파인-4도 높은 여과율과 염분 제거율로 담수화 막 후보로 입증되었습니다[32].

또한 실리신[33], 저마넨[34, 35], 육방정계 질화붕소(hBN)[36, 37], 금속 유기 골격(MOF)[38] 등 첨단 2D 소재들이 최근 개발되어 광범위하게 연구되었습니다. 2D 소재 개발은 구조적으로 비대칭인 야누스 2D 소재로 확장되었습니다(예: MoSSe[39, 40], In₂SSe[41]). MOF[42]와 MoS₂[43] 같은 새로운 2D 소재들이 MD 시뮬레이션으로 효율적인 담수화 성능을 보였습니다. 실험적으로 3 nm 두께의 MOF 막이 합성되어 나노여과에 테스트되었습니다[44]. 7 nm 두께의 MoS₂도 합성되어 담수화 효율이 테스트되었습니다[45]. 둘 다 높은 여과율과 염료/염분 제거율을 보였습니다. 2D hBN이 그래핀 막보다 높은 물 투과율을 보여 우월함이 MD 연구에서 밝혀졌습니다[46].

다양한 2D 막의 물 여과 막으로서 효율성을 예측하려면 표면 화학적 특성이 물 수송 속도에 미치는 영향을 이해해야 합니다. 표면 친수성은 계면에서 물 역학에 중요한 역할을 합니다[47]. 본 연구에서는 막-물 상호작용 강도를 조절하여 표면 친수성을 조정하고 MD 시뮬레이션으로 물 흐름 속도에 미치는 영향을 조사했습니다. 단일층 2D 막을 나타내기 위해 육각 그래핀 구조를 2D 모델 구조로 선택했습니다. 2D 막을 통한 단일 파일 물 흐름을 물 이동 길이가 여러 원자 크기에 해당하는 3차원(3D) 막과 비교했습니다. 3D 막을 나타내기 위해 그래핀 슬래브 사이에 (6,6) CNT 구조를 삽입한 구조를 3D 모델 구조로 사용했습니다.

연구 방법

2D 막과 3D 막 구조는 그래핀과 탄소 나노튜브의 기하학적 구조에서 얻었습니다(그림 1). 2D 막의 나노기공은 기공 중심(지정 R2)에서 원형 영역 내 원자들을 제거하여 생성했습니다. 결과적 기공 영역은 육각형 모양이며 가장 먼 원자 간 거리는 약 7.52 Å입니다. 3D 막 구조는 2.06 nm 떨어진 두 그래핀 슬래브 사이에 (6,6) CNT 구조를 삽입하여 얻었습니다. 3D와 2D 막의 기공 영역 사이에 약간의 차이가 존재했습니다. 기공 크기 차이 효과를 제거하기 위해 CNT 림과 그래핀 슬래브로 구성된 추가 2D 막 구조를 생성했으며, 이 구성은 R1로 지정했습니다. R1 구성의 기공 반경은 (6,6) CNT 반경인 8.13 Å에 해당합니다.

막의 평면 크기는 4.12 × 4.08 nm였습니다. 초기 시뮬레이션 박스 크기는 2D 막 시뮬레이션용 4.12 × 4.08 × 12 nm, 3D 막 시뮬레이션용 4.12 × 4.08 × 14.06 nm였습니다. 시뮬레이션 박스를 따라 x, y, z 방향에 주기적 경계 조건을 적용했습니다(그림 1). 막은 시뮬레이션 박스 중심(z = 6 nm)에서 z-방향에 수직하게 배치했습니다. SPC/E 물 모델[48]을 사용하여 시뮬레이션 박스를 채웠으며, 이 모델은 확산도[48, 49]와 점도[50, 51] 등 실험적 수송 특성과 잘 일치합니다. 총 물 분자 수는 6474개였습니다. 물 분자와 막 간 비결합 상호작용은 레나드-존스(LJ) 상호작용으로 계산했습니다.

V_LJ = 4ε[(σ/r)¹² - (σ/r)⁶]

여기서 ε은 포텐셜 우물 깊이, σ는 포텐셜이 0이 되는 원자 간 거리, r은 원자 간 거리입니다. 본 시뮬레이션에서 σ는 탄소와 물 거리 매개변수의 산술 평균인 0.33 nm로 고정했습니다. 물-막 상호작용 강도 ε을 0.026에서 0.415 kcal/mol로 변경하여 친수성을 조절했습니다. 본 연구에 사용된 상호작용 강도는 탄소[52]와 산소[48] 간 LJ 상호작용 강도 ε₀의 0.25ε₀, 0.5ε₀, ε₀, 2ε₀, 4ε₀에 해당합니다.

모든 시뮬레이션은 GROMACS 소프트웨어[53]로 수행했습니다. 시간 적분은 1 fs 타임스텝으로 리프프로그 알고리즘으로 수행했습니다. 노제-후버 서모스탯[54]으로 300 K 온도를 유지했으며 시간 상수는 0.1 ps였습니다. LJ 상호작용 계산에 컷오프 방식(12 Å)을 사용했습니다. 장거리 정전기적 상호작용은 입자 메쉬 에발드(PME) 방법(실공간 컷오프 12 Å, 역공간 그리딩 1.2 Å)으로 계산했습니다. 초기 평형 시뮬레이션 동안 막에 수직한 물 압력을 파리넬로-라만 바로스탯[55]으로 1 bar로 조절했습니다. 1 ns NPT 평형 후 NVT 앙상블로 1 ns 추가 평형했습니다. 총 2 ns 평형 후 가압 빈에 존재하는 물 분자에 힘을 가해 압력 구동 흐름을 시뮬레이션했습니다[14, 56]. 그림 1b와 같이 시뮬레이션 박스 측면에 길이 1 nm의 가압 빈이 위치합니다. 물 분자에 작용하는 외부 힘은 f = ΔP/NA로 계산했습니다. 여기서 ΔP는 막 양쪽의 원하는 압력 차이, N은 가압 빈의 물 분자 수, A는 막 면적입니다. 이 방법이 시뮬레이션 과정에서 원하는 압력 강하를 잘 유지하는 것으로 알려져 있습니다[14]. 압력 구동 흐름을 10 ns 시뮬레이션했고, 1 ns 초기화 후 9 ns 데이터를 수집했습니다. 시뮬레이션 동안 막은 강체로 처리했습니다.

시뮬레이션 후 물 구조와 수송 특성을 분석했습니다. 기공 축 방향 확산 계수는 아인슈타인 관계로 계산했습니다.

D_z = ½ lim_t→∞ ⟨|z(t) - z(0)|²⟩ / Δt

평균 힘 포텐셜(PMF)은 물 분자에 작용하는 힘을 적분하여 계산했습니다[57].

ΔPMF = -∫_z₀^z dz' ⟨F(z')⟩

여기서 z₀는 벌크 물 위치로, 본 연구에서 z₀ = 3 nm입니다. ΔPMF와 z-방향 확산 계수 프로파일 계산에서 나노기공 축을 따라 반경 3.8 Å의 원통형 빈을 사용했습니다.

결과 및 논의

물 흐름

막 양쪽에 압력 강하를 가하는 동안 막을 통과하는 물 분자 수를 세었습니다(그림 2a, b). 그림 2a, b는 각각 2D(R1)와 3D(R1) 막을 통한 물 이동 수를 시간별로 보여줍니다. 물 이동 수 대 시간 그래프의 기울기에서 평균 물 흐름을 측정했습니다. 그림 2c에서 측정된 물 흐름을 2D와 3D 막의 상호작용 강도에 따라 플롯했습니다. 상호작용 강도가 증가함에 따라 물 흐름은 최대 물 흐름까지 급격히 증가한 후 모든 막에서 단조롭게 감소했습니다. 2D 막에서 R1의 물 흐름은 R2보다 약간 높았으며, 이는 R1의 물 접근 가능 영역이 다소 더 크기 때문입니다.

낮은 상호작용 강도에서 최소 물 흐름에서 최대 물 흐름으로의 전이는 기공 탈수-습윤 전이에 기인합니다. 서브나노미터 직경 나노기공에서 물 분자들은 단일 파일 사슬로 배열됩니다[1, 58](그림 3e, f). 단일 파일 형성 시 물 분자의 수소 결합 수는 약 1.5개로 감소합니다[59]. 단일 파일 형성에서 손실된 수소 결합 에너지는 막-물 상호작용 에너지로 부분적으로 보상됩니다[1]. 소수성 기공을 나타내는 낮은 막-물 상호작용 강도에서는 막-물 상호작용이 단일 파일 사슬 형성을 위한 충분한 보상을 제공하지 못합니다. 이러한 탈수 행동은 압력 구동 및 평형 시뮬레이션 모두에서 밀도 프로파일 플로팅과 점유 수 측정으로 확인되었습니다("물 밀도" 및 "나노기공 내 물 점유" 섹션 참조).

2D와 3D 막은 임계 상호작용 강도에서 차이를 보였습니다. 3D 막의 임계 상호작용 강도가 2D 막보다 높았습니다. 서브나노미터 기공 내부에서 부분적 사슬이나 개별 물 분자는 에너지적으로 불리합니다. 따라서 기공 내부 완전한 사슬 형성이 서브나노미터 기공 습윤의 전제 조건입니다. 상대적으로 짧은 사슬 길이와 가까이 위치한 벌크 물 욕조는 2D 막이 상대적으로 낮은 상호작용 강도에서 습윤되도록 합니다. 이러한 임계 상호작용 강도 차이로 인해 낮은 상호작용 강도(0.25ε₀, 0.5ε₀)에서 2D 막의 물 흐름이 3D 막보다 높았습니다.

임계 상호작용 강도에서 기공이 습윤되면 최대 물 흐름에 도달합니다. 이후 상호작용 강도 증가에 따라 물 흐름이 감소합니다. 소수성 표면이 경계 미끄러짐을 촉진하여 물 흐름을 향상시킨다는 보고가 있습니다[60-62]. 연속체 유체역학도 미끄럼 경계 조건 적용 시 물 흐름 향상을 지배합니다. 그러나 단일 파일 흐름과 2D 막에서 기공 축과 반경 방향의 서브나노미터 차원 때문에 동일한 메커니즘의 타당성은 불분명합니다. 친수성 증가에 따른 물 흐름 감소를 설명하기 위해 물 역학과 에너지학을 조사했습니다("물 확산도" 및 "평균 힘 포텐셜" 섹션 참조). 물 흐름 감소는 3D 막에서 2D 막보다 더 유의미했습니다. 중간 상호작용 강도(ε₀, 2ε₀)에서 3D 막이 2D 막보다 우월했으나, 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서는 반대가 성립했습니다.

물 밀도

기공 축 방향을 따른 물 밀도 프로파일을 그림 3a-d에 플롯했습니다. 물 밀도는 개방 기공 영역에 접근하기 위해 기공 반경을 가진 원통형 빈으로 측정했습니다. 그림 3a, b는 각각 2D와 3D 막의 물 밀도 프로파일을 점선으로 기공 영역을 표시하여 보여줍니다. 막 원자 중심이 z = 6 nm에 위치하므로 기공 영역은 2D 막에서 z = 5.83-6.17 nm, 3D 막에서 z = 5.83-8.23 nm로 정의됩니다. 그림 3c, d에 기공 영역 내 물 밀도를 표시했습니다.

기공 입구 근접 영역에서 유의미한 밀도 피크와 골, 즉 층상 물 구조가 명확히 관찰됩니다. 고체 벽 근처의 층상 물 구조는 선행 MD[63]와 실험 연구[64]에서 보고되었습니다. 기공 반경이 반데르발스 상호작용이 작용하는 거리(~1.2 nm)보다 작기 때문에 기공이 개방되어 있어도 층상 물 구조는 사라지지 않습니다. 밀도 진동에서 밀도 피크 크기가 상호작용 강도 증가에 따라 커짐을 관찰할 수 있습니다.

기공 영역 내 밀도 피크는 단일 파일을 형성하는 물 분자의 유리한 위치를 나타냅니다. 2D 나노기공에서 두 개의 밀도 피크는 두 물 분자가 안정한 단일 파일을 형성함을 나타냅니다. 3D 나노기공에서는 8-9개 밀도 피크가 관찰되어 더 긴 물 사슬이 형성됨을 나타냅니다(그림 3e, f). 기공 영역 내 물 밀도가 0이면 물 분자가 막을 투과하지 않음을 의미합니다. 2D 나노기공에서 상호작용 강도 0.25ε₀일 때 물 밀도가 0에 가까워 물 흐름이 미미했습니다. 3D 나노기공에서 상호작용 강도 0.25ε₀와 0.5ε₀일 때 물 밀도가 0이므로 물 흐름이 0으로 측정되었습니다.

나노기공 내 물 점유

외부 압력 차이 없이 평형 시뮬레이션을 실행하여 평형 물 역학도 조사했습니다. 나노기공의 물 점유 수는 각 타임프레임 동안 기공 영역 내 순간적 물 분자 수를 세어 측정했습니다. 그림 4a-l은 2D와 3D 막의 다양한 상호작용 강도에 대한 시간별 점유 수를 보여줍니다. 그림 4에서 볼 수 있듯 물 점유는 나노기공의 비어있음-채워짐 두 상태 전이를 보여줍니다. 이는 부분적으로 채워진(끊어진 단일 파일) 상태가 에너지적으로 불리하므로 단일 파일 물의 특성으로 알려져 있습니다[1]. 낮은 상호작용 강도 0.25ε₀에서 2D와 3D 막 모두 빈 상태(0-1 물 점유)가 더 많이 분포했습니다. 이 강도에서 평균 점유 수는 2D 막 0.37, 3D 막 0.05였습니다. 상호작용 강도 0.5ε₀에서 2D 막은 채워진 상태(1-2 물 점유)가 더 많았으나 3D 막은 여전히 빈 상태가 분포했습니다. 이 강도에서 평균 물 점유 수는 2D 막 1.1, 3D 막 0.3이었습니다. 상호작용 강도 ε₀에서 점유 수는 3D 막에 대해 8-10으로 분포했습니다. 이는 3D 막이 ε₀ 상호작용 강도에서 채워진 상태임을 나타냅니다.

상호작용 강도에 따른 평균 물 점유 수 변화를 그림 4m에 표시했습니다. 비어있음-채워짐(탈수-습윤) 상태 전이 행동이 상호작용 강도에서도 관찰되었습니다. 3D 막에서 점유 수가 미미한 수에서 높은 수로 급격히 뛰고 이후 상호작용 강도 증가에 따라 약간 증가하는 급격한 전이가 명확히 관찰되었습니다. 2D 막에서도 유사한 전이 행동이 관찰되었으나, 짧은 단일 파일 사슬 길이와 가까이 위치한 벌크 물 욕조가 상대적으로 유리한 전이 상태를 지배하여 완만한 전이를 보였습니다.

비어있음-채워짐(탈수-습윤) 상태 전이 행동은 낮은 상호작용 강도에서 물 흐름 변화를 뒷받침합니다. 임계 상호작용 강도 아래에서는 가해진 압력 강하에 의한 물 흐름이 0 또는 미미했습니다. 상호작용 강도 0.5ε₀에서 2D 막의 물 흐름이 3D 막보다 훨씬 높았습니다. 이 상호작용 강도에서 2D 막은 습윤 상태인 반면 3D 막은 탈수 상태였습니다. 따라서 물 탈수가 낮은 상호작용 강도에서 물 흐름 변화의 원인임을 결론지을 수 있습니다. 불행히도 물 점유율로는 높은 상호작용 강도에서 물 흐름 감소를 설명할 수 없습니다.

물 확산도

물 역학을 추가로 조사하기 위해 평형 시뮬레이션에서 물 확산 계수를 계산했습니다. 밀도 프로파일에서 기공 근접 영역의 큰 진동이 관찰되어 층상 물 구조를 나타냅니다. 밀도 진동 진폭은 상호작용 강도 증가에 따라 커졌습니다. 이러한 구조적 효과를 고려하기 위해 기공 근접 및 입구 영역의 물 확산 계수를 계산하여 그림 5a-e에 플롯했습니다. 그림 5a는 근접 및 입구 영역을 포함한 다양한 영역의 물 확산 계수를 보여줍니다. 확산 계수가 상호작용 강도 증가에 따라 감소함이 명확합니다. 따라서 임계 상호작용 강도 이상에서 상호작용 강도 증가에 따른 물 흐름 감소에 물 확산도 감소가 기여함을 결론지을 수 있습니다.

중간 상호작용 강도(ε₀)와 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서 기공 축 방향 확산 계수 프로파일을 그림 5b, c에 나타냈습니다. 그림 5b-e에서 2D와 3D 나노기공의 동일한 기공 구성(R1)을 비교하여 기공 구성 차이로 인한 효과를 제거했습니다. 확산 계수가 벌크 확산도(~2.7×10⁻⁹ m²/s[49])에서 기공 입구에 접근함에 따라 점차 감소함을 관찰했습니다. 확산 계수 감소는 기공 구속 효과와 물 층상 효과의 결합 결과일 수 있습니다. 막 친수성은 기공 근접 영역에서 높은 층상 구조 유도와 기공 입구 영역에서 마찰력 증가라는 두 가지 메커니즘으로 확산 계수를 감소시킬 가능성이 있습니다. 기공 근접 및 입구 영역 별도 확산 계수 계산(그림 5d, e)에서 두 영역 모두 상호작용 강도 증가에 따라 확산 계수가 감소했습니다.

3D 막의 확산 계수는 기공 입구 영역에서 2D 막보다 약간 높거나 비슷했습니다. 반면 기공 근접 영역에서 3D 막의 확산 계수는 2D 막보다 작았으며, 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서 차이가 유의미했습니다. 압력 구동 흐름 시뮬레이션에서 3D 막을 통한 물 흐름은 2D 막보다 상호작용 강도에 따라 더 유의미하게 감소했습니다. 그 결과 중간 상호작용 강도(ε₀, 2ε₀)에서 3D 막의 물 흐름이 2D 막과 비슷하거나 높았으나, 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서는 2D 막의 물 흐름이 더 높았습니다. 기공 근접 영역의 확산도가 이러한 높은 상호작용 강도에서 물 흐름 역전의 주요 원인으로 보입니다.

평균 힘 포텐셜

상호작용 강도에 따른 막 우월성을 추가로 조사하기 위해 중간 상호작용 강도(ε₀)와 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서 2D와 3D PMF 프로파일을 비교했습니다. 2D와 3D 나노기공의 PMF 프로파일을 그림 6에 비교했습니다. PMF 프로파일은 물 분자가 막을 투과하기 위해 극복해야 하는 자유 에너지 장벽을 나타내는 국소 최대값을 보입니다. PMF 프로파일에서 기공 입구 영역(z = 6 nm)과 기공 근접 영역(z ≈ 5.5 nm)에서 두 개의 주요 PMF 에너지 장벽을 확인했습니다. 상호작용 강도 ε₀에서 근접 에너지 장벽은 2D와 3D 간 유의미한 차이를 보이지 않았습니다. 높은 상호작용 강도 4ε₀에서 근접 영역 에너지 장벽이 둘 다 증가했으나 3D 막에서 2D 막보다 더 큰 크기로 증가했습니다. 이는 기공 근접 영역이 높은 상호작용 강도에서 물 흐름 역전의 주요 요인임을 확인시켜 줍니다.

상호작용 강도 증가(ε₀ → 4ε₀)에 따라 기공 입구 에너지 장벽은 2D 막에서 1.94에서 1.82로, 3D 막에서 1.68에서 1.45로 변했습니다. 막-물 상호작용 에너지 증가에 따라 입구 에너지 장벽이 약간 감소했습니다. 반면 상호작용 강도 증가(ε₀ → 4ε₀)에 따라 근접 에너지 장벽은 2D 막에서 0.4에서 1.05로, 3D 막에서 0.47에서 1.61로 변했습니다. 에너지적 관점에서 상호작용 강도 증가에 따른 물 흐름 감소는 주로 근접 기공 영역에서 에너지 장벽 증가에 기인합니다. 이는 3D 막의 물 흐름 감소가 2D 막보다 더 높은 것과도 관련이 있습니다. 중간 막-물 상호작용(ε₀)에서 2D 막 총 에너지 장벽(2.34 k_BT)은 3D 막(2.15 k_BT)보다 약간 높습니다. 3D 막의 근접 에너지 장벽이 유의미하게 증가함에 따라 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서 3D 막 총 에너지 장벽(3.06 k_BT)이 2D 막(2.87 k_BT)보다 높아집니다. 따라서 ΔPMF는 높은 상호작용 강도(4ε₀)에서 2D 막 우월성과 중간 상호작용 강도(ε₀)에서 3D 막 우월성을 정량적으로 뒷받침합니다.

더 큰 기공 크기에서의 비단일 파일 물 흐름에 대해서는 상호작용 강도와 무관하게 2D 막이 3D 막보다 우월할 것으로 추정됩니다. 이전 문헌에서 더 큰 기공 크기의 CNT 막에서도 상호작용 강도에 따른 습윤-탈수 행동이 관찰되었습니다[65]. 임계 상호작용 강도는 기공 크기 증가에 따라 감소했습니다[65]. 가까이 위치한 물 저장소와 짧은 기공 길이로 인해 2D 막은 단일 파일 흐름 결과와 일관되게 3D 막보다 낮은 임계 상호작용 강도를 보일 것입니다. 따라서 상호작용 강도가 낮을 때 2D 막이 3D 막보다 더 큰 기공 크기에서 더 높은 물 흐름을 보일 가능성이 높습니다. 임계값 이상의 상호작용 강도에서는 단일 파일 물 흐름과 달리 2D 막을 통한 물 흐름이 여전히 3D 막보다 높을 수 있습니다. PMF 에너지 장벽이 기공 근접 영역에서 물 흐름에 큰 영향을 미치지 않으며, 막 벽과 물 분자 간 마찰이 물 흐름에 영향을 미치는 지배적 요인이 될 것입니다. 이전 문헌에서 비단일 파일 흐름 시 CNT 길이가 감소함에 따라 CNT 막을 통한 물 흐름이 증가한다고 보고되었습니다[66, 67]. 또한 비단일 파일 흐름에서 그래핀 막을 통한 물 흐름이 CNT 막보다 더 높게 관찰되었습니다[14].

결론

본 연구에서는 단일 파일 물 흐름에 대한 막-물 상호작용 강도의 영향을 조사했습니다. 최근 2D 막 발전으로 육각 2D 막 구조를 고려하여 3D 튜브형 구조와 비교했습니다. 주요 관찰 사항은 다음과 같습니다: (1) 물 흐름은 임계 상호작용 강도 아래에서 0 또는 미미함, (2) 2D 막의 임계 상호작용 강도가 3D 막보다 낮음, (3) 상호작용 강도가 임계값보다 클 때 상호작용 강도 증가에 따라 물 흐름 감소, (4) 물 흐름 감소가 3D 막에서 2D 막보다 더 유의미함.

낮은 상호작용 강도에서 0 또는 미미한 흐름은 탈수 행동 때문이며, 이는 기공 내 작은 점유 수와 물 밀도로 뒷받침됩니다. 임계 상호작용 강도에서 기공이 습윤된 후 물 흐름은 상호작용 강도 증가에 따라 감소합니다. 상호작용 강도 증가는 기공 근접 영역에서 PMF 에너지 장벽 증가와 확산 계수 감소를 초래하여 결과적으로 물 흐름을 감소시킵니다. 또한 기공 근접 영역의 물 구조와 역학이 3D 막에서 2D 막보다 상호작용 강도에 더 큰 영향을 받습니다. 그 결과 3D 막의 물 흐름 감소가 2D 막보다 더 높았습니다.

복잡한 단일 파일 흐름의 상호작용 강도와 막 차원 의존성으로 인해 2D 막의 3D 막에 대한 우월성은 상호작용 강도에 의존하는 것으로 나타납니다. 중간 상호작용 강도(ε₀, 2ε₀)에서 3D 막이 2D 막보다 약간 높은 물 흐름을 보입니다. 낮은(0.5ε₀) 및 높은(4ε₀) 상호작용 강도에서는 2D 막이 3D 막보다 높은 물 흐름을 보입니다. 결론적으로 2D 막의 3D 막에 대한 우월성은 습윤-탈수 전이와 기공 근접 영역의 확산 역학으로 인해 막 친수성에 의존합니다. 본 연구 결과는 높은 여과 흐름을 유지하는 2D 막 설계와 조작에 유용할 것입니다.

데이터 및 재료 가용성

본 논문 결론을 뒷받침하는 데이터셋은 논문 내에 포함되어 있으며, 데이터에 대한 추가 정보는 합리적 요청 시 교신저자로부터 얻을 수 있습니다.

약어

2D:

2차원(Two dimensional)

3D:

3차원(Three dimensional)

CNT:

탄소 나노튜브(Carbon nanotube)

MD:

분자 동역학(Molecular dynamics)

hBN:

육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride)

MOF:

금속 유기 골격(Metal organic framework)

LJ:

레나드-존스(Lennard–Jones)

PMF:

평균 힘 포텐셜(Potential of mean force)