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高分子膜中亚纳米孔道的高选择性离子输运

纳米孔道的离子输运现象是材料科学和生物物理等领域研究的热点。当纳米孔道的尺度达到亚纳米即接近分子大小时,将会出现许多奇异的离子输运现象。研究这些输运现象对于了解细胞膜离子通道机制,制备新型海水淡化设备,探索新型DNA测序方法等都有重要意义。由于条件限制,实验上制备亚纳米孔道一直都极具挑战。基于高分子膜制备的纳米孔具有结构坚韧,柔性并且可以高效大规模制备的优点,但是由于其传统蚀刻制备法不便可靠控制蚀刻速率,尚无法达到亚纳米尺度。


近日,北京大学重离子物理研究所王宇钢教授实验室刘峰研究员实验室首次报道了通过重离子轰击PET高分子膜并进行紫外线照射不进行蚀刻而制备亚纳米尺度的孔道阵列。他们发现这些新型孔道带有负电荷,对于阳离子与阴离子的输运选择性达到10的8次方,对于碱金属离子和重金属离子的选择性达到10的6次方。PALS及SAXS测量结果显示制备的纳米孔道直径在0.6 nm左右。分子动力学模拟显示所观测到的亚纳米孔道的离子选择性与其输运过程的部分脱水有关。这一新的实验现象对理解纳米孔道的离子输运新机制有重大意义。而且所制备的具有亚纳米孔道高分子膜在过滤重金属元素的水净化,制备新型电池等方面也有重要应用价值。


由于其独特的研究意义及应用前景,该研究成果被选为封面文章在《Advanced Functional Materials》发表。博士生文琪本科生闫东晓并列第一作者。


该研究工作受到了国家自然科学基金委,北京大学百人计划,澳大利亚研究理事会,德国科学基金会以及中科院高能物理研究所所、近代物理研究所的大力支持。


http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201601689/abstract


原文:Highly Selective Ionic Transport through Subnanometer Pores in Polymer Films

Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 5796–5803, DOI: 10.1002/adfm.201601689


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