以纳米通道强化水分子传递的理论与方法

The behavior of water molecules/ions in nature-made or synthesied channel of nanometer in diameter and its underpined thermodyanmics and transport kinetics represents the research frontier in the field of separation science and technology due to its fundamental importance for the advancement of water purificiaton technology. The objective of this project is to understand the transport behavior of water molecules in nanochannels such as aquaporin, carbon nanotubes and hybrid polymers nanotubes, upon the complementary input of multi-scale simulation and DFT theory, multi-dimensional structural characterization, bio/chem synthesis, as well as process experiments. This proposed study contents 1) molecular thermodynamics and transport behavior of water molecules in an ideal nano-confiment; 2) design, construction and modificaiton of nanochannel for perferiential transport of water molecules and ions; and 3) fabricating of water purficaiton vesicle with above mentioned water biased nanochennel as the key elements and strenthening their selective transport of water from water/salt mixtures. With these we hope to be able to develop fundamental theories and enabling techniques for the study of water transport in nanoconfiment, estabilishing protocols for the syntheis of water biased nanochannel and the subsequent fabricaiton of water vesicle appealing for being incorporated into novel membrane for water desalination.

水分子/盐离子在纳米通道中的运动行为及表观热力学和传递动力学特性是化工分离科学和技术领域的前沿基础理论课题。本项目将综合运用分子模拟、结构表征和生物/化学合成来揭示不同类型纳米水通道（如水通道蛋白、纳米碳管和杂合高分子纳米管）中的水/盐运动行为及其对于纳米尺度水/溶液热力学和传递动力学规律的影响，并提出纳米水通道生物和化学构建新方法。主要工作包括：1)理想纳米水通道中水分子运动行为及表观热力学与传递动力学特性；2) 纳米水通道的功能化设计与生物和化学构建方法；3) 含有纳米水通道的水分离功能元件的构建及其水/盐分离特性。通过本项目实施将发展针对纳米水通道的多尺度模拟新技术；建立描述限制性空间中水分子/盐离子运动行为和过程特性的热力学和动力学理论与方法；提出纳米水通道及其分离功能元件的构建新技术，为海水淡化技术和膜材料的创新提供基础理论和关键技术支持。

水分子/盐离子在纳米通道中的运动行为及表观热力学和传递动力学特性是化工分离科学和技术领域的前沿基础理论课题。本项目将综合运用分子模拟、结构表征和生物.二维材料合成来揭示不同类型纳米水通道（如水通道蛋白、纳米碳管和纳米狭缝）中的水/盐运动行为及其对于纳米尺度水/溶液热力学和传递动力学规律的影响，并提出纳米水通道生物和化学构建新方法。经过为期4年的深入研究，课题组建立水通道蛋白、一维碳纳米管、二维纳米材料和复杂拓扑结构纳米材料等10余个模型体系及其对应的理论和分子模拟方法，系统研究了水和离子的输运和热力学行为；建立了cDFT-分子模拟耦合模拟技术（二维纳米狭缝体系），粗粒化-全原子分子动力学模拟方法（水通道蛋白及其组装体体系），电子-空穴扩散理论-全原子分子模拟（光电二维离子通道体系）新计算方法；建立了AqpZ水通道元件自组装制备技术、二维纳米狭缝构建方法和杂合聚电解质-蛋白质自组装方法。该项目在执行期间，已经发表SCI论文8篇（均标注），EI论文2篇（不含双收，均标注），会议论文5篇，受邀国际研讨会报告1次，申请和批准国家发明专利2项，培养博士研究生3名（含两名联合培养博士），硕士研究生3名。