以下文章来源于AMR材料研究述评 ，作者AMR
近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学张华成教授与合作者团队发表AMR述评文章“Enhanced Gating Effects in Responsive Sub-nanofluidic Ion Channels”，探讨了不同刺激响应的亚纳米材料离子孔道的制备及其门控机理；具体阐述其独特的门控效应及实际应用性能；最后，对于这一新兴领域的未来发展提出了展望。
关键词：亚纳米离子通道，刺激响应性，门控效应
与纳米尺度离子通道相比，刺激响应的亚纳米离子通道除能够实现更高的开关比之外，还展现出了更加丰富的门控效应：如离子的堵塞/激活，可调控的离子选择性和适用于更广浓度范围的门控特性，在探测传感、能量捕获和资源回收等领域有巨大潜力。
01
文章内容简介
受刺激调控的门控特性是生物体细胞膜离子通道的重要功能之一，决定了生命体一系列生命活动能否正常运转。构建具有刺激响应性的仿生离子通道不仅能够加深对生命体强大功能的探究和认知，还能够指导实际应用创造价值。经过近二十年的发展，人造仿生离子通道已经实现了对多种理化刺激的响应性、单门双响应以及双门多重响应等功能。但由于孔道尺寸过大，导致外界刺激下孔的理化性能变化（尺寸、电荷及亲疏水性等）不足以完全影响到离子的传输状态，即无法实现完全的导通和非导通的状态。
图1 亚纳米尺度下的门控效应：高开关比、大尺寸离子对质子通量的调控、刺激调控的离子选择性和适用于宽浓度范围的门控。
最近几年在先进材料领域涌现出多维度具有亚纳米孔径和刺激响应性的材料（如一维管，二维片，一至三维多孔材料），为实现仿生离子通道增强的门控性能提供了新思路。我们团队以这些材料（金属-有机框架，共价-有机框架和二维纳米片）为切入点，设计了不同制备思路，构建了一系列亚纳米离子通道，实现了丰富多彩的门控效应，例如更高的开关比和更广的门控浓度，孔道对离子更加有效的堵塞和激活效应，以及允许外界刺激调控的离子选择性等。
这篇述评文章主要阐述、总结归纳了以下内容：首先，探讨不同刺激响应的亚纳米材料离子孔道的制备；其次，分析讨论其门控机理；再次，具体阐述其独特的门控效应，并且拓展分析在离子探测、能量捕获、离子吸附/脱附和离子筛分等领域的实际应用性能，最后，对于这一新兴领域的未来发展提出了展望。
02
AMR：请问您选择该领域的原因是？
张华成教授：
仿生离子通道和纳米流体门控性能的研究是我博士期间导师江雷研究员给我的课题方向。当初也没有想到能在这个领域做这么多年。特别是能通过新型多孔材料，将纳米流体拓展至亚纳米流体。随着研究的不断深入，我们已发现很多新奇有趣的性能，并且这些性能对于解决实际水处理和贵金属资源的回收利用提供了很好的解决新思路，因此不论是理论创新还是实际应用，这一领域具有巨大的开发潜力，也是我们坚定不移的初心和使命所在。
03
AMR：您认为该领域当前最值得关注的
热点是什么？
张华成教授：
如文中后面所提到的，增强的门控性能对于实际应用具有很好的指导意义。具有刺激响应性的亚纳米离子通道在精密可重复检测、增强的能量捕获、可重复吸附脱附盐离子及可持续离子筛分等领域具有美好前景。我们认为最值得研究的也是最具挑战性的课题在于最后一项，可持续的离子筛分。我们知道地球上非可再生资源的日渐衰减会严重制约关键领域的发展，如锂电池行业。传统锂离子回收方法依靠纷繁的物理过程及额外的化学品，在能耗和纯度上不具备优势。我们期待具有刺激响应性的亚纳米离子通道可以进一步转化为功能膜，通过加电和盐差梯度使混合盐溶液中的锂离子能够扩散到水中，实现工业界颇具挑战性的锂镁筛分，并通过简单的酸度调节，实现膜的再生和可重复使用。此外，由于其优越的刺激响应特性，响应性亚纳米离子通道在生物医学领域也将会有比较好的应用前景。
作者团队简介
● 由张华成副教授领导的“纳米-亚纳米流体研究室”成立于2020年，位于墨尔本皇家理工大学，工学部，化工和环境工程系。课题组与蒙纳士大学王焕庭教授 （澳大利亚桂冠教授和工程院院士）、Matthew Hill教授， 德克萨斯州大学奥斯汀分校Benny Freeman教授（美国工程院院士）保持长期合作。研究课题已获得澳大利亚科学委员会多项科研经费支持，在行业顶级期刊发表多篇文章，并被授予多项优秀荣誉。本团队现有研究助理三人和多名硕博研究生，科研经费充足，在离子吸附、筛分、催化和能量回收等领域正在开展积极广泛的研究，也欢迎有兴趣的同学加入我们的研究团队！
皇家墨尔本理工大学
研究助理 赵趁
本科毕业于河北农业大学生物技术专业，硕士毕业于华侨大学生物化工专业，博士毕业于蒙纳士大学化学工程专业，从事过载药多孔微球用于肺部给药的研究，超滤膜及其抗菌性的研究，以及仿生自门控纳米流体器件用于自主离子传输和分子释放等多科学、跨专业的研究。目前研究方向为基于金属-有机框架材料的仿生亚纳米离子通道和离子筛分膜，用于水处理、资源回收和能量转化等领域。
皇家墨尔本理工大学
高级研究员 侯觉
侯觉博士，皇家墨尔本理工大学高级研究员，澳洲基金委早期职业研究员（ARC DECRA）。2011年于北京大学取得材料化学学士学位，2016年于中科院化学宋延林研究员课题组所取得材料学博士学位。毕业后先后在澳大利亚蒙纳士大学化工系王焕庭院士课题组和澳洲联邦科学与工业研究组织从事博士后研究工作。2022年6月加入皇家墨尔本理工大学。主要从事金属有机框架材料分离膜、与光子晶体传感器方面的研究。
蒙纳士大学
教授 Matthew Hill
蒙纳士大学教授、澳大利亚科学委员会未来研究员（ARC Future Fellow）、2014年度澳大利亚总理科学奖获得者。为将实验室的发现带到市场，领导的跨学科研究团队与工业伙伴开展了积极的合作、同时服务于澳大利亚联邦科学与工业研究组织和蒙纳士大学，在两者之间起到连接纽带作用。研究领域包括多孔材料的研发及其在存储/吸附/膜分离小分子、锂-硫电池和超级电容器等领域的应用。
德克萨斯州大学奥斯汀分校
教授 Benny D. Freeman
德克萨斯州大学奥斯汀分校工程类William J. (Bill) Murray, Jr.讲席教授、蒙纳士大学专家学者。研究领域为聚合物科学及工程，特别是固态聚合物的小分子物质传输。研究团队专注于发现聚合物和膜材料的结构与脱盐和气体分离等功能的关系，用于氢气分离、天然气纯化和碳捕获的新材料，以及能够提高膜污染抵抗和膜渗透性的新材料。
蒙纳士大学
教授 王焕庭
蒙纳士大学化工和生物工程学院教授、澳大利亚科学委员会桂冠学者 （ARC Laureate Fellow）。华东理工大学工学学士、中国科学技术大学理学硕士和博士。研究领域为膜及纳米材料用于气体分离、水脱盐和纯化、手性分离、离子传输和分离以及电化学储能等应用。
皇家墨尔本理工大学
副教授 张华成
皇家墨尔本理工大学副教授、澳大利亚研究委员会-未来研究员 （ARC Future Fellow）。西安交通大学学士（2009）、中科院化学所博士（2014）。主要从事仿生智能纳米通道膜材料及其在离子筛分、分子筛分、能量转化以及水处理等领域的研究。在Nat. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Nat. Sustain., Chem. Soc. Rev., Adv. Mater.，JACS，Angew. Chem. 等杂志上发表论文67篇，文章引用次数大于5000，H-指数38。担任Ind. Eng. Chem. Res.编委。
Enhanced Gating Effects in Responsive Sub-nanofluidic Ion Channels
Chen Zhao, Jue Hou*, Matthew Hill, Benny Freeman, Huanting Wang, and Huacheng Zhang*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00067
转自：“研之成理”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
