艺术家描绘的离子水团簇高速穿过碳纳米管通道。在小直径碳纳米管中形成离子 - 水簇是这些通道内离子异常高电泳迁移率的原因，并最终导致该系统中能斯特 - 爱因斯坦关系的强烈破坏。学分：艾拉丸工作室。

在研究运动中的粒子时，实验学家遵循了一个100年前的理论，该理论声称粒子的微观运动是由与周围介质的分子的随机碰撞决定的，而不管驱动该运动的宏观力如何。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）和麻省理工学院的科学家发现，这种由沃尔特·能斯特和阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪初发现的著名的流体动力学关系，在碳纳米管孔内的强烈空间约束下完全分解。这项研究发表在《自然纳米技术》杂志上。

1888年，能斯特提出了带电粒子的迁移率与其扩散系数之间的普遍关系。这种关系的微观起源在1905年由爱因斯坦在他的奇迹时期揭示，最终以他对布朗运动的研究达到高潮。众所周知，NE关系是离子传输的几个重要理论的重要组成部分。

受限的微环境和纳米环境，如碳纳米管孔，可以测试NE关系，因为约束可以限制离子淌度，放大邻近效应，增强颗粒 - 表面相互作用并迫使液体的异常长程结构，所有这些都会影响颗粒运动。

在这项新工作中，研究小组通过研究0.8纳米直径碳纳米管孔蛋白（CNTPs）中的钾（K）离子转运来测试NE关系的有效性。CNTP是10 nm长的脂质稳定单壁CNT片段，插入磷脂膜以形成具有强正离子选择性的明确跨膜孔。

“这些孔隙中的极端空间限制极大地阻碍了K离子的扩散，相对于其体积值，扩散系数降低了三个数量级，”LLNL科学家Alex Noy说，他是该论文的共同主要作者。“令人惊讶的是，同样的限制对电泳迁移率的影响可以忽略不计，导致NE关系完全崩溃。+

使用全原子极化力场的分子动力学模拟表明，在没有电场的情况下，CNTP内部的单档水链阻碍了K离子通过CNTP的扩散。然而，在外加电场下，单文件水链分解并形成不同的离子水团簇，它们以更高的速度穿过碳纳米管。+

“这两种根本不同的微观机制最终导致狭窄的CNTP中NE关系的破坏，”麻省理工学院的共同主要作者David Blankschtein说。