纳米管道限域空间中离子选择特性的研究

当物质限域在纳米尺度空间中时，会展现出许多奇异的新特性，相关研究和潜在应用获得了众多理论和应用学科的高度重视。研究发现，纳米管道能滤除比其管径小的离子，这样的纳米管可作为海水淡化中过滤膜上的孔道。由于常规方法很难精确选择离子，纳米管道对于特定离子的可控性选择成为研究的关键核心问题。目前基于纳米管内离子的微观性质来实现选择被认为是提高选择效率的突破方向。但关于离子在限域空间中新特性的研究尚未全面开展。本项目拟结合分子动力学模拟，借鉴生物离子通道结构，研究纳米管道限域空间中离子选择的物理机制，重点探索限域环境对于离子选择的影响，从新的角度揭示管外微环境、管壁性质对离子的特殊作用；理论计算结合实验验证，设计高效离子选择原型器件。本项目对于设计应用于海水淡化、污水处理的新型纳米级过滤膜具有重要意义，还有利于传感器（可用于土壤、肥料成分分析，离子色谱分析中）、微流控芯片等其他相关纳米技术。

当物质限域在纳米尺度空间中时，会展现出许多奇异的新特性，相关研究和潜在应用获得了众多理论和应用学科的高度重视。目前基于纳米管内离子的微观性质来实现选择被认为是提高选择效率的突破方向，但关于离子在限域空间中新特性的研究尚未全面开展。本项目结合分子动力学模拟，第一阶段研究工作中借鉴了生物离子通道结构，将蛋白质上的有机基团“仿真”到纳米管道的模型上，通过改变有机基团位置，调控离子外层水合层结构，从而实现可控的分离钾钠离子。相关结果已在国际权威期刊JACS上发表文章（J. Am. Chem. Soc. 132, 1873-1877 (2010)，第一作者及通信作者,影响因子9），JACS杂志的审稿人认为该项成果具有创新性，有助于进一步理解生物离子通道复杂的离子选择机制，对于设计应用于海水淡化、污水处理的新型纳米级过滤膜具有重要意义。第二阶段研究工作中，设计利用外电场来调控纳米管道内部的正负离子的选择特性；基于第一阶段研究工作中对于水合层结构调控离子选择这一机制的理解，通过控制管外电荷与管壁的距离，调控离子外层水合层结构，从而实现管内更加容易通过正离子或者负离子，相关结果已发表在Nanotechnology上（Nanotechnology 24， 025502 (2013)，第一作者及通信作者，影响因子4 ）。系列研究工作获得了国内外同行认可，受邀发表了关于纳米管道离子选择的综述文章（ Journal of Applied Solution Chemistry and Modeling 2, No 1（2013），第一作者及通信作者，Invited Review Paper）。第三阶段，在原型模型的实现方面，基于理论模拟获得的对于离子选择机制的理解，分别设计三个体系实现离子选择，并都以第一发明人申请了专利, 这三个专利分别是：1) 微流通道及其制备方法；2) 离子束流信号放大器及其制造方法； 3) 基于氮化物半导体纳米孔道的纳米流体二极管及其制造方法。本项基金按照预期计划完成，发表高质量论文3篇，申请专利3项，此外，还有在投文章1篇，并延伸出后续更加有意义的研究工作。