廈大侯旭團隊 Adv. Mater. ：首次報道曲率驅動的動態納米限域空間中的反常離子輸運行為及其離子整流時時動態調控

【背景介紹】

生物納米通道通過細胞膜控制不同離子的輸運，其調控機制不僅取決于通道的固有結構和內表面的物理化學性質，還取決于它們在生命過程中的各種動態形狀變化。人工納米通道膜作為模擬生物納米通道的離子傳輸性能的平臺，為生命科學和材料科學中的許多應用提供潛在的工具和科學指導。近年來，許多用于納流控和生物傳感應用的人工納米通道膜被開發出來，其主要是通過在納米通道的內表面上修飾功能性分子作為刺激響應層從而調節離子輸運。然而，生物納米通道的幾何動態變形也是相當重要的，例如在生理過程和疾病活動中，細胞間會出現不間斷彎曲的納米通道。

目前，人工納米通道主要通過靜態的方法在納米通道內表面上修飾功能性分子，以實現刺激響應層。因此，那些靜態納米通道中的離子傳輸調節機制是通過調節它們的有效通道尺寸。最新報道的電流動態可調的納米孔或納米通道仍然是通過表面修飾來控制有效孔徑以實現調節離子電流的目的。所以，如何賦予人工納米通道動態的形狀變化和固定通道尺寸以控制離子傳輸仍然是一項具有挑戰性的任務。目前的動態納米通道制備方法由于材料的選擇和納尺度空間阻塞問題限制了其幾乎不能同時兼顧柔性和納米尺寸。盡管已經有報道可調節的彈性體納米通道，但是這些納米通道的尺寸是離子尺寸的三個數量級以上，并且它們沒有涉及軸向變形。

【成果簡介】

最近，廈門大學的侯旭教授（通訊作者）等人進一步開發了動態納米通道系統的概念。報道了一種動態曲率納米通道膜系統，具有依賴于電壓、濃度和離子大小的反常效應，以及通過調節曲率實時控制離子整流效應的可逆轉換。這是一種通過使用通道曲率的動態變化來實時調節離子整流從而調節納米通道中的離子傳輸的新方法。這種動態方法可用于構建智能納米通道系統，在柔性的納流控體系、離子整流器和納米發電機等領域具有重要的應用前景。研究成果以題為“Dynamic Curvature Nanochannel-Based Membrane with Anomalous Ionic Transport Behaviors and Reversible Rectifcation Switch”發布在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、動態納米通道膜的設計及反常離子傳輸行為
（a）可變形納米通道的制備過程，包括直的和彎曲通道；

（b）動態納米通道中的離子傳輸行為，其在直通道和彎曲狀態之間具有可逆切換；

（c）動態納米通道中的反常離子傳輸行為和動態轉換圖。

圖二、非對稱彎曲納米通道膜的制備以及陽離子選擇性
（a）非對稱彎曲納米通道的和直的納米通道的制備；

（b）氮吸附-解吸等溫曲線和孔徑表征；

（c）納米通道的離子選擇性能表征。

圖三、動態納米通道內的電壓、濃度和尺寸效應
（a）未彎曲和彎曲的碳納米通道的I-V曲線；

（b）由不對稱曲率驅動的自發電流；

（c）不同濃度下自發電流的衰減曲線；

（d, e）電位和濃度大小對離子電流整流比的影響；

（f）離子尺寸對離子電流整流比的影響；

（g）在不同電壓下Li+離子的I-V曲線。

圖四、納米通道內的動態離子整流控制
（a）動態離子電流測試示意圖;

（b）納米通道的曲率動態變形和恢復過程的示意圖;

（c）不同電壓下，初始狀態(In)，四個動態變形(Dn, n = 1-4)和四個動態恢復(Rn, n = 1-4)過程中的時時離子電流整流比。

【小結】

? ? ? ? 綜上所述，該工作首次展示了一種動態曲率納米通道膜，其具有反常的離子傳輸行為和時時可調的離子整流效應，與內表面修飾納米通道方法相比具有不同的調節機制。動態曲率納米通道膜系統可以通過利用通道曲率的動態變形來控制離子傳輸，而不是改變有效通道尺寸。雖然目前對動態納米通道的研究尚處于初級階段，但是基于動態曲率納米通道的膜系統可以作為模擬高度彎曲的納米空間中不同生物離子傳輸過程的新型平臺，并在可穿戴納米流體裝置領域具有潛在的應用價值。進一步延伸到更多離子/分子類型可以創造各種納米原型機，包括納米發電機，速度傳感器和振動逆變器。

文獻鏈接：Dynamic Curvature Nanochannel-Based Membrane with Anomalous Ionic Transport Behaviors and Reversible Rectifcation Switch（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201805130)

通訊作者及其團隊簡介

侯旭教授，2015年10月加入廈門大學，是廈門大學依托國家海外高層次人才引進計劃青年項目引進的國外杰出人才、國家重點研發計劃首席科學家、廈門大學仿生多尺度孔道課題組組長。從事微/納尺度多孔膜科學與技術研究10余年，曾先后在中國國家納米科學中心、美國哈佛大學Wyss仿生工程研究所、美國哈佛大學-麻省理工學院HST中心、中國廈門大學固體表面物理化學國家重點實驗室等國際一流研究機構學習與工作。主持、承擔過國家自然科學基金、國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、國家重大科學研究計劃、福建省戰略性新興產業專項項目、福建省杰出青年科學基金項目、美國能源部ARPA-E等多個國內外科學與工程研發項目。出版了2本國際學術著作，其中第一及通訊作者28篇，包括Nature (1篇)、Nat. Rev. Mater. (1篇)、Sci. Adv. (1篇)、Nat. Commun. (1篇)、Chem. Soc. Rev. (1篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (2篇)、J. Am. Chem. Soc. (3篇)、Adv. Mater. (5篇)等。同時，申請國家專利11項，美國專利3項。總引用3100余次，H-Index為27。這些成果被Nature以News & Views專欄評述報道，同時得到PHYS ORG, Science Daily, TechConnect World Innovation, Materials Gate, Space Daily, High Beam Research等眾多機構及網絡媒體大篇幅追蹤報道。2018年作為牽頭客座編輯在國際知名學術期刊Small上組織多尺度孔道限域空間專刊。

榮譽，獎勵和資助情況：

曾獲中國化學會青年化學獎、國家重點研發計劃“納米科技”重點專項首席科學家、福建省杰出青年基金獲得者(2018)；第十二批國家“千人計劃”青年人才（2016）、福建省百人計劃（2017）；美國化學會SciFinder化學領域未來領袖（2014，全球18位）、美國哈佛大學博士后事業發展獎（全校10位）；獲得Springer論文獎（2013年）；中國科學院優秀博士學位論文（2012）；全國膠體與界面化學優秀成果獎一等獎（全國2位）、全國盧嘉錫優秀研究生獎（2011）等。

學術任職：

《中國化學快報》青委會物理化學副主任（2017年至今）、《應用化學》青年編委（2017年至今）、固體表面化學國家重點實驗室青委會副主任（2017年至今）、首批閩江科學傳播學者(2017年至今)。

本文由材料人納米組小胖紙編譯，材料人整理。

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