厦大侯旭团队 Adv. Mater. ：首次报道曲率驱动的动态纳米限域空间中的反常离子输运行为及其离子整流时时动态调控

【背景介绍】

生物纳米通道通过细胞膜控制不同离子的输运，其调控机制不仅取决于通道的固有结构和内表面的物理化学性质，还取决于它们在生命过程中的各种动态形状变化。人工纳米通道膜作为模拟生物纳米通道的离子传输性能的平台，为生命科学和材料科学中的许多应用提供潜在的工具和科学指导。近年来，许多用于纳流控和生物传感应用的人工纳米通道膜被开发出来，其主要是通过在纳米通道的内表面上修饰功能性分子作为刺激响应层从而调节离子输运。然而，生物纳米通道的几何动态变形也是相当重要的，例如在生理过程和疾病活动中，细胞间会出现不间断弯曲的纳米通道。

目前，人工纳米通道主要通过静态的方法在纳米通道内表面上修饰功能性分子，以实现刺激响应层。因此，那些静态纳米通道中的离子传输调节机制是通过调节它们的有效通道尺寸。最新报道的电流动态可调的纳米孔或纳米通道仍然是通过表面修饰来控制有效孔径以实现调节离子电流的目的。所以，如何赋予人工纳米通道动态的形状变化和固定通道尺寸以控制离子传输仍然是一项具有挑战性的任务。目前的动态纳米通道制备方法由于材料的选择和纳尺度空间阻塞问题限制了其几乎不能同时兼顾柔性和纳米尺寸。尽管已经有报道可调节的弹性体纳米通道，但是这些纳米通道的尺寸是离子尺寸的三个数量级以上，并且它们没有涉及轴向变形。

【成果简介】

最近，厦门大学的侯旭教授（通讯作者）等人进一步开发了动态纳米通道系统的概念。报道了一种动态曲率纳米通道膜系统，具有依赖于电压、浓度和离子大小的反常效应，以及通过调节曲率实时控制离子整流效应的可逆转换。这是一种通过使用通道曲率的动态变化来实时调节离子整流从而调节纳米通道中的离子传输的新方法。这种动态方法可用于构建智能纳米通道系统，在柔性的纳流控体系、离子整流器和纳米发电机等领域具有重要的应用前景。研究成果以题为“Dynamic Curvature Nanochannel-Based Membrane with Anomalous Ionic Transport Behaviors and Reversible Rectifcation Switch”发布在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、动态纳米通道膜的设计及反常离子传输行为
（a）可变形纳米通道的制备过程，包括直的和弯曲通道；

（b）动态纳米通道中的离子传输行为，其在直通道和弯曲状态之间具有可逆切换；

（c）动态纳米通道中的反常离子传输行为和动态转换图。

图二、非对称弯曲纳米通道膜的制备以及阳离子选择性
（a）非对称弯曲纳米通道的和直的纳米通道的制备；

（b）氮吸附-解吸等温曲线和孔径表征；

（c）纳米通道的离子选择性能表征。

图三、动态纳米通道内的电压、浓度和尺寸效应
（a）未弯曲和弯曲的碳纳米通道的I-V曲线；

（b）由不对称曲率驱动的自发电流；

（c）不同浓度下自发电流的衰减曲线；

（d, e）电位和浓度大小对离子电流整流比的影响；

（f）离子尺寸对离子电流整流比的影响；

（g）在不同电压下Li+离子的I-V曲线。

图四、纳米通道内的动态离子整流控制
（a）动态离子电流测试示意图;

（b）纳米通道的曲率动态变形和恢复过程的示意图;

（c）不同电压下，初始状态(In)，四个动态变形(Dn, n = 1-4)和四个动态恢复(Rn, n = 1-4)过程中的时时离子电流整流比。

【小结】

综上所述，该工作首次展示了一种动态曲率纳米通道膜，其具有反常的离子传输行为和时时可调的离子整流效应，与内表面修饰纳米通道方法相比具有不同的调节机制。动态曲率纳米通道膜系统可以通过利用通道曲率的动态变形来控制离子传输，而不是改变有效通道尺寸。虽然目前对动态纳米通道的研究尚处于初级阶段，但是基于动态曲率纳米通道的膜系统可以作为模拟高度弯曲的纳米空间中不同生物离子传输过程的新型平台，并在可穿戴纳米流体装置领域具有潜在的应用价值。进一步延伸到更多离子/分子类型可以创造各种纳米原型机，包括纳米发电机，速度传感器和振动逆变器。

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

通讯作者及其团队简介

侯旭教授，2015年10月加入厦门大学，是厦门大学依托国家海外高层次人才引进计划青年项目引进的国外杰出人才、国家重点研发计划首席科学家、厦门大学仿生多尺度孔道课题组组长。从事微/纳尺度多孔膜科学与技术研究10余年，曾先后在中国国家纳米科学中心、美国哈佛大学Wyss仿生工程研究所、美国哈佛大学-麻省理工学院HST中心、中国厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室等国际一流研究机构学习与工作。主持、承担过国家自然科学基金、国家重点研发计划“纳米滚球体育 ”重点专项、国家重大科学研究计划、福建省战略性新兴产业专项项目、福建省杰出青年科学基金项目、美国能源部ARPA-E等多个国内外科学与工程研发项目。出版了2本国际学术著作，其中第一及通讯作者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。同时，申请国家专利11项，美国专利3项。总引用3100余次，H-Index为27。这些成果被Nature以News & Views专栏评述报道，同时得到PHYS ORG, Science Daily, TechConnect World Innovation, Materials Gate, Space Daily, High Beam Research等众多机构及网络媒体大篇幅追踪报道。2018年作为牵头客座编辑在国际知名学术期刊Small上组织多尺度孔道限域空间专刊。

荣誉，奖励和资助情况：

曾获中国化学会青年化学奖、国家重点研发计划“纳米滚球体育 ”重点专项首席科学家、福建省杰出青年基金获得者(2018)；第十二批国家“千人计划”青年人才（2016）、福建省百人计划（2017）；美国化学会SciFinder化学领域未来领袖（2014，全球18位）、美国哈佛大学博士后事业发展奖（全校10位）；获得Springer论文奖（2013年）；中国科学院优秀博士学位论文（2012）；全国胶体与界面化学优秀成果奖一等奖（全国2位）、全国卢嘉锡优秀研究生奖（2011）等。

学术任职：

《中国化学快报》青委会物理化学副主任（2017年至今）、《应用化学》青年编委（2017年至今）、固体表面化学国家重点实验室青委会副主任（2017年至今）、首批闽江科学传播学者(2017年至今)。

本文由材料人纳米组小胖纸编译，材料人整理。

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