离子径迹法制备纳米孔及其能量转化与物质输运研究

Nanopores have attracted increasing attention due to their unique transport properties in nanofluidics. Preparation of polymer nanopores using ion track technique offers distinct advantages considering their precisely determined pore structure and excellent surface properties such as good biocompatibility, high surface charge and rich surface chemical groups. Ion-track nanopores have shown unique advantages in applications such as single molecule detection, mimicry of biological ion channels, and energy conversion, which have become a focus of nanopore research and application. This project is an interdisciplinary study conducted between nuclear science, material/nano science. It will aim at the key problems of the nanopore research and application as well as development trend on the basis of our accumulated experience in the research field of the fabrication and application of track-etched nanopore. This project will focus on fabricating of advanced functional nanopores, especially uniform multi-nanopore systems with stable properties and molecule scale nanopore systems based on latent tracks, to investigate, in great detail, the energy conversion properties of nanopore, and to explore new phenomena of ionic conductance and mass transport in latent tracks. Thereafter, models will be proposed to explain the new mechanism for the track formation in polymer, evolution of latent tracks in solution, and new mechanism for transport phenomena in nanofluidics. This project will strive to achieve a breakthrough in practical application in energy conversion, heavy metal ions and toxic molecule separation and filtration.

纳米孔具有独特的纳流输运性质。利用离子径迹法制备高分子等纳米孔，可控性强，相容性好，适合实际应用，而且内表面化学基团丰富、电荷密度高，易于修饰和改造，在分子检测、模拟细胞膜离子通道的离子输运和开关功能、实现能量转化等方面显示出独特的优势，成为国际上纳米孔研究与应用的热点。本项目属核科学与材料/纳米科学的交叉学科研究，将瞄准纳米孔研究中的关键问题、重要应用和发展趋势，在多年积累的离子径迹法制备高分子等材料纳米孔及其应用的研究基础上，制备具有特殊功能的纳米孔，特别是孔径均匀、性质稳定的纳米多孔体系和基于潜径迹的分子尺度纳米孔体系，实现纳米孔体系的可控修饰和改造，研究纳米孔体系中能量转化和潜径迹膜中的离子电导与物质输运的新现象与规律，建立物理模型描述高分子材料潜径迹形成新机理和潜径迹在溶液中演变以及纳流体系中的微观输运新机理，力争在能量转化、重金属离子及毒性分子分离过滤等方面的应用上取得突破。

项目组对基于核径迹的纳米多孔薄膜材料开展了制备、表征及应用等方面的创新研究。发明了潜径迹纳米孔制备方法，克服了沿用60多年的核径迹蚀刻纳米孔制备技术的局限，成功制备了高密度、孔径均匀且孔径大小在1 nm左右的纳米孔膜。所制备的潜径迹纳米孔膜在离子输运上同时具有高分离比和超高通量：当孔径尺寸在1 nm左右时，一价碱金属的输运速率高达15 mol h-1m-2，K+/Mg2+离子的选择性达到100左右，综合输运性能超越了包括二维材料在内的其它分离膜，在解决分离膜领域长期存在的分离比和输运量的矛盾方面取得了突破。在纳米孔的表征方面，发展了小角X射线散射、正电子湮灭寿命谱、小分子尺寸排阻法等方法测量纳米孔结构，证实了潜径迹纳米孔存在1 nm左右的孔径。并结合分子动力学模拟揭示了潜径迹纳米孔输运机制：孔径小于1 nm时，不同离子的输运速率取决于其脱水程度，产生了极高离子选择性；而孔径在1 nm左右时，由于存在部分脱水和静电效应的耦合，产生了丰富的离子选择性输运现象。在纳米孔膜的应用方面，理论上系统分析了提高纳米多孔体系在溶液中的能量转化效率的规律：对于纳流反电渗析系统，存在最佳的孔道长度，使功率密度达到最大。通过调控孔密度、孔径和膜厚的协同效应，可以有效提升功率密度。在浓差发电的实验中发现微蚀刻的潜径迹纳米孔膜转化效率达到理论极值，蚀刻核径迹的石墨烯和高分子复合膜具有最佳综合效能：输出能量密度21-126 W/m2，转化效率39%。制备了通过原子沉积法修饰的高分子纳米孔，发明了电容检测法，极大提高了纳米孔小分子检测信噪比。.在本项基金的支持下，项目组发表16篇SCI收录的论文，其中1篇Nature Communications，3篇Advanced Functional Materials，1篇Nano Energy，2篇Nanoscale。获得国家发明专利1项，在国际会议上做了5次邀请报告。通过本课题的执行，5人获博士学位（北京大学、厦门大学，其中3人获得北京大学百篇优秀博士论文奖励），2人获得硕士学位（北京大学、厦门大学），2人获得学士学位（武汉大学)。