中科院理化所JACS：纳米孔/通道中的离子/分子传输——从基本原理到多功能应用

【引言】

纳米孔/通道在生物系统是普遍存在的，并且视网膜、神经和肌肉等生命系统中的离子/分子运输在生命活动中起着关键作用。而从细胞膜中的生物纳米通道中获取灵感，人工纳米孔/通道已经被成功构建出来并用以通过调节界面相互作用来定向传输离子/分子。根据不同维度上的结构特征，这些人工材料可以分为零维体系、一维体系、二维体系和三维体系。同时，研究纳米孔/通道中离子/分子运输的基本原理有助于进一步改善不同人造材料的性能。基于这些原理，纳米孔/通道系统有着广泛的应用，诸如油水分离、海水淡化、药物可控输送、盐差发电、压力发电、DNA测序、环境监测等等。

【成果简介】

近日，中科院理化所田野研究员（通讯作者）与江雷院士在J. Am. Chem. Soc.上发表了题为“Ion/molecule transportation in nano- pore/channels: From critical principles to diverse functions”的Perspective文章。文中作者首先介绍了纳米孔/通道系统内离子/分子传输所涉及的基本原理、最新成果和广泛应用，其中基于纳米孔/通道的应用主要有四个部分：1. 基于纳米孔/通道的离子/分子选择性传输及其在分离领域的相关应用；2. 具有单、双和多级门控态的离子/分子门控体系及其在药物可控释放领域的应用；3. 利用离子整流效应的清洁能源转换系统；4. 基于纳米孔的单分子测序和高灵敏检测。此外在每部分的结尾，作者还讨论了围绕此部分纳米孔/通道系统现存的挑战。最后，文中还给出一个总结性的表格，介绍了围绕以上四点应用的典型工作，现存挑战及针对这些挑战的可能解决措施。

【图文导读】

图1 用于离子/分子传输的纳米孔/通道的基本原理及应用的简要介绍

(a) 纳米孔/通道在不同维度上的物理模型；

(b) 纳米孔/通道系统的关键原理可以简明地概括为尺寸/形状效应、浸润性、电荷效应、主客体识别和其他相互作用（螯合，氢键等）；

(c) 基于关键原理的应用：多体系分离，可调节门控，能源转换，单分子测序和检测等。

图2 通过纳米孔/通道系统分离非均相和可混溶的混合体系 

(a) 基于预浸润的电纺纤维膜分离不混溶液体；

(b) 借助液体注入的聚四氟乙烯膜分离不混溶的气体和液体；

(c) 利用超薄沸石咪唑骨架膜分离丙烯与丙烷混溶气体；

(d) 通过由氧化铝负载的交联铁蛋白膜分离可混溶的有机分子；

(e) 金属离子修饰的氧化石墨烯纳米片分离可混溶的有机液体；

(f) 通过聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜分离可混溶的离子。

图3 响应分子表面修饰后的可调节门控纳米通道

(a) 由电场控制的单刺激响应性PET纳米通道；

(b) 由磁场控制磁流体门控的单刺激响应性超亲水氧化铝纳米通道；

(c) 由温度和pH控制的双刺激响应性PET纳米通道；

(d) 由酸和碱调节的双刺激响应性PET纳米通道；

(e) 具有多种门控特征的三维DNA水凝胶网络修饰的锥形纳米通道；

(f) 具有可调节门控状态的自组装超分子修饰的多门控态纳米通道。

图4 基于能量转换体系中界面电荷的离子传输

(a) 基于二硫化钼一维纳米孔的浓度-电流转换系统的示意图；

(b) 带有氮化硼一维纳米通道的渗透压-电流转换系统的示意图；

(c) 基于二氧化硅一维纳米通道的压电转换系统的示意图；

(d) 基于DNA修饰一维锥形PET纳米通道的光电转换系统的示意图；

(e) 具有二维石墨烯水凝胶膜的液压-电流转换系统的示意图；

(f) 基于具有三维纳米通道聚四氟乙烯膜的热电转换系统的示意图；

(g) 基于带相反电荷的层状氧化石墨烯复合膜的渗透能转换系统的示意图；

(h) 基于超薄和离子选择性复合Janus膜的渗透能转换系统的示意图。

【小结】

本文致力于探索纳米孔/通道中离子/分子运输的基本原理，并着眼于它们在分离、刺激响应门控、能量转换、分子测序及检测等领域中的应用。同时，作者指出尽管在过去几十年中纳米孔/通道领域取得了重大成就，也仍存在诸多挑战：1.多功能集成同时具有高机械强度及稳定性的纳米孔/通道膜是实际应用中的关键挑战；2. 关于解释纳米孔/通道系统中离子/分子运输行为的基本原理，仍然需要能够通用且全面的模型。最后，作者认为未来的研究工作应该致力于系统地考察具有精确可控环境的单个纳米孔或纳米管，此外还需要努力开发简便的制造工艺以制备能够用于实际应用的大面积纳米孔/通道阵列。

文献链接：Ion/molecule transportation in nano- pore/channels: From critical principles to diverse functions (J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b00086)

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