基于智能纳米孔道的仿生能量转换与存储：从机理到原型器件

能源是人类社会赖以生存和可持续发展的基础，寻找更为高效环保的能源转换与存储材料成为全人类都必须面对的最大挑战之一。自然界中的生命体系通过40多亿年的进化，实现了对能源的高效利用，特别是生物膜离子通道在其中起着重要作用。本项目将生命体系中高效能量转换与存储的基本原理用于仿生能源材料的设计和制备，通过功能分子设计，以及在固体纳米孔道界面的可控自组装过程，制备仿生纳米通道单元；研究智能孔道内能量转换与储存的机理；研究纳米孔道内多层次、多组份的可控自组装过程及其对材料性能的调控；并最终将智能孔道单元集成为智能薄膜材料和原型器件。重点研究：模仿电鳗放电的新型能差纳流电池，模仿视觉原理的质子光电转换器件，仿生非对称膜结构，外场调控下的孔道内分子自组装过程与组装体结构，以及智能孔道单元的多尺度集成。由此获得一批具有自主知识产权的仿生产能及储能材料与器件，为仿生能源领域的发展提供新知识、新方法和新材料。

我们将功能分子的刺激-响应特性拓展到固体纳米孔道中，构筑了一系列具有类生物膜离子通道开关和整流特性的智能纳米孔道。通过模仿电鳗起电盘隔膜的结构和发电原理，首次提出利用仿生纳米孔道进行盐差能转换的机理和原型器件，提出了纳流体反向电渗析的概念，从实验和理论上完成了基于单通道的基础研究工作。本项目立足仿生能源材料这一主题，合成与制备仿生智能孔道隔膜材料，构筑宏观产能器件，并结合理论模型，研究纳米孔道膜结构中与能量转换相关的基本规律。