离子径迹法制备纳米多孔体系及其应用研究

Nanopores have attracted increasing attention due to their unique transport proper ties 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 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 moleculescale 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，而且纳米孔的内壁表面化学基团丰富、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，研究纳米孔体系中的能量转化和潜径迹膜中的离子电导与物质输运的现象与规律，探索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。

在本基金项目的支持下，通过使用特殊波长的紫外线对高能重离子辐照后的潜径迹PET薄膜进行辐照，制备出具有特殊离子输运性质的离子通道。我们通过正电子湮灭寿命谱以及小角X射线散射，紫外-可见光谱等方法，首次使用无损测量的结构表征的方法研究波长为365nm的紫外线辐照对PET高分子薄膜上潜径迹的影响。我们制备的潜径迹膜在液相体系中对不同的阴离子，金属阳离子以及生物小分子具有很强的选择性。这种潜径迹膜对于第一主族元素阳离子和过渡金属毒性离子，其分离比达到了106以上，可以有效过滤毒性离子，是具有超高选择比的优质过滤膜。同时，使用分子动力学的方法对离子通道的离子输运现象进行模拟，发现在孔径小于1nm的负电内表面亚纳米孔中，离子输运存在脱水现象，其脱水能力与离子水合自由能密切相关。在此基础上，我们制备了pH响应门控开关离子通道，开关比可以达到105以上。通过对这种基于离子潜径迹的亚纳米通道的研究，我们也可以对生命体系中离子通道的离子输运机制产生新的认识。另外，我们在单纳米孔能量转化体系的基础上，设计了由阳离子选择性纳米多孔膜和阴离子选择性纳米多孔膜组成的纳流电池单元，极大的提高了输出电动势和电功率，而且该电池单元两端的溶液浓度是相同的，便于进一步扩展和集成。对多孔体系的数值模拟结果表明，离子扩散速率的限制导致纳米孔局域离子浓度与体溶液浓度有较大差别。对于特定几何尺寸的纳米孔道，选择最佳的表面电荷密度能够实现能量转化效率的最大化。该研究对纳流体系输运现象中表面电荷密度和离子选择性的作用提供了新的思路和视角，对纳米器件的设计提供了新的参考依据。..在本项基金的支持下，预计发表5篇SCI收录的论文（2篇已投，另3篇在准备中），申请2项国家发明专利。通过本课题的执行，1人获学士学位，预计1人获博士学位。