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近日，我校工程科學(xué)學(xué)院吳恒安教授研究團(tuán)隊(duì)與澳大利亞蒙納士大學(xué)化學(xué)與生物工程系王煥庭教授研究團(tuán)隊(duì)展開合作，在納米限域空間離子/質(zhì)子的雙向快速整流傳輸研究中取得了重要進(jìn)展，研究成果發(fā)表在Science Advances上。

整流是指物質(zhì)在通道中的單向傳輸。高效的離子整流通道是生物體調(diào)節(jié)各項(xiàng)生理機(jī)能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，例如生物膜表面的K+通道可以實(shí)現(xiàn)離子和質(zhì)子沿相反方向進(jìn)行整流傳輸，以保證膜兩側(cè)的電解質(zhì)和pH平衡，維持各項(xiàng)生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。此外，離子整流通道在清潔能源的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存、可持續(xù)采礦的酸性溶液回收等工程技術(shù)實(shí)踐中也有著廣泛的應(yīng)用前景。

蒙納士大學(xué)王煥庭教授研究團(tuán)隊(duì)制備了一種由金屬有機(jī)物框架（metal-organic framework, MOF）和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）組合而成的非均質(zhì)通道結(jié)構(gòu)。具體做法是將MIL-53-COOH亞納米通道填充在子彈頭形狀的PET納米孔道的尖端，形成MOF亞納米和PET納米通道復(fù)合的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種非對(duì)稱的納米通道同時(shí)具備沿尖端向基端的金屬離子整流效應(yīng)和沿基端向尖端的質(zhì)子整流效應(yīng)，兩種粒子的整流比均達(dá)到100以上。同時(shí)，該非均質(zhì)通道結(jié)構(gòu)具有很好的整流穩(wěn)定性，在苛刻的pH條件和多次重復(fù)電壓加載中都展現(xiàn)出金屬離子和質(zhì)子的快速整流傳輸。

尖端填充MOF的PET/MIL-53-COOH通道結(jié)構(gòu)及其在不同溶液中的整流效應(yīng)

我校計(jì)算力學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了納米限域傳質(zhì)理論模型，分析了該非對(duì)稱納米通道中離子/質(zhì)子的整流傳輸現(xiàn)象，揭示了限域空間內(nèi)金屬離子和質(zhì)子的雙向快速整流傳輸機(jī)制。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，限域空間內(nèi)金屬離子的傳輸受到濃度梯度的調(diào)控，而質(zhì)子的傳導(dǎo)則是由規(guī)則排列的水鏈結(jié)構(gòu)決定，兩種粒子不同的傳輸機(jī)制導(dǎo)致了該納米通道具有雙向整流特性。對(duì)于金屬離子，PET/MIL-53-COOH納米通道內(nèi)，MOF填充部分包含大量的羧基官能團(tuán)，這些官能團(tuán)能夠吸附溶液中的金屬離子，形成固有的濃度梯度。這種濃度梯度會(huì)促進(jìn)離子沿著尖端向基端傳輸而阻礙相反方向的離子傳輸，從而表現(xiàn)出金屬離子沿尖端向基端的整流效應(yīng)。對(duì)于質(zhì)子而言，由于子彈形PET通道的非對(duì)稱性，水分子在涌入MOF通道后形成了定向排布的水鏈結(jié)構(gòu)，這種定向排布使質(zhì)子沿基端向尖端運(yùn)移時(shí)所需克服的能壘遠(yuǎn)小于其沿相反方向運(yùn)移時(shí)需克服的能壘，因此質(zhì)子的傳輸表現(xiàn)出沿基端向尖端的整流特性。

此外，由于MIL-53-COOH的通道中含有大量的極性官能團(tuán)，分布在其中的水分子會(huì)與極性位點(diǎn)結(jié)合形成協(xié)同的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了質(zhì)子的單向遷移能力，甚至高于相同尺寸碳納米管中一維受限水鏈的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，具有快速整流傳輸?shù)奶匦浴?/p>

PET/MIL-53-COOH納米通道內(nèi)離子/質(zhì)子雙向快速整流傳輸機(jī)制

本研究提出的限域空間內(nèi)金屬離子/質(zhì)子的雙向快速整流傳輸機(jī)制，為人工離子通道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的思路，有望推動(dòng)高通量選擇性膜技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

該合作研究成果以“Ultrafast rectifying counter-directional transport of proton and metal ions in metal-organic framework-based nanochannels”為題發(fā)表在Science Advances上（Sci. Adv. 2022, 8(14), eabl5070）。蒙納士大學(xué)博士后陸軍、我校近代力學(xué)系博士生徐亨宇、博士后余昊以及蒙納士大學(xué)博士生胡小釔為論文共同第一作者，蒙納士大學(xué)王煥庭教授和我校吳恒安教授為論文通訊作者。

王煥庭教授現(xiàn)任澳大利亞蒙納士大學(xué)膜創(chuàng)新中心主任，是澳大利亞工程院院士和“桂冠”教授（Australian Laureate Fellowships）。王煥庭院士是我校杰出校友，分別于1994年、1997年獲得我校高分子化學(xué)碩士學(xué)位和材料化學(xué)博士學(xué)位。王煥庭院士一直積極推動(dòng)蒙納士大學(xué)與母校的多方位合作，包括學(xué)生訪問交流和聯(lián)合培養(yǎng)，前期與吳恒安教授團(tuán)隊(duì)在納米限域下的水分子相態(tài)結(jié)構(gòu)（Adv. Mater.?2020, 32(24), 2001777.）和快速輸運(yùn)（J. Membrane Sci. 2021, 621, 118934.）等方面取得了系列合作研究成果。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5070

（工程科學(xué)學(xué)院、中國科學(xué)院材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、科研部、國際合作與交流部）