離子徑跡法製備納米多孔體系及其套用研究

《離子徑跡法製備納米多孔體系及其套用研究》是依託北京大學，由王宇鋼擔任負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：離子徑跡法製備納米多孔體系及其套用研究
• 項目負責人：王宇鋼
• 依託單位：北京大學
• 項目類別：重大研究計畫

項目摘要

納米孔具有獨特的納流輸運性質。利用離子徑跡法製備高分子等納米孔，可控性強，相容性好，適合實際套用，而且納米孔的內壁表面化學基團豐富、電荷密度高，易於修飾和改造，在分子檢測、模擬細胞膜離子通道的離子輸運和開關功能、實現能量轉化等方面顯示出獨特的優勢，成為國際上納米孔研究與套用的熱點。本項目將瞄準納米孔研究中的關鍵問題、重要套用和發展趨勢，在多年積累的離子徑跡法製備高分子等材料納米孔及其套用的研究基礎上，製備孔徑均勻、性質穩定的納米多孔體系和基於潛徑跡的分子尺度納米孔體系，研究納米孔體系中的能量轉化和潛徑跡膜中的離子電導與物質輸運的現象與規律，探索納流體系中的微觀輸運新機理，力爭在能量轉化、重金屬離子及毒性分子分離過濾等方面的套用上取得突破。

結題摘要

在本基金項目的支持下，通過使用特殊波長的紫外線對高能重離子輻照後的潛徑跡PET薄膜進行輻照，製備出具有特殊離子輸運性質的離子通道。我們通過正電子湮滅壽命譜以及小角X射線散射，紫外-可見光譜等方法，首次使用無損測量的結構表征的方法研究波長為365nm的紫外線輻照對PET高分子薄膜上潛徑跡的影響。我們製備的潛徑跡膜在液相體系中對不同的陰離子，金屬陽離子以及生物小分子具有很強的選擇性。這種潛徑跡膜對於第一主族元素陽離子和過渡金屬毒性離子，其分離比達到了106以上，可以有效過濾毒性離子，是具有超高選擇比的優質過濾膜。同時，使用分子動力學的方法對離子通道的離子輸運現象進行模擬，發現在孔徑小於1nm的負電內表面亞納米孔中，離子輸運存在脫水現象，其脫水能力與離子水合自由能密切相關。在此基礎上，我們製備了pH回響門控開關離子通道，開關比可以達到105以上。通過對這種基於離子潛徑跡的亞納米通道的研究，我們也可以對生命體系中離子通道的離子輸運機制產生新的認識。另外，我們在單納米孔能量轉化體系的基礎上，設計了由陽離子選擇性納米多孔膜和陰離子選擇性納米多孔膜組成的納流電池單元，極大的提高了輸出電動勢和電功率，而且該電池單元兩端的溶液濃度是相同的，便於進一步擴展和集成。對多孔體系的數值模擬結果表明，離子擴散速率的限制導致納米孔局域離子濃度與體溶液濃度有較大差別。對於特定幾何尺寸的納米孔道，選擇最佳的表面電荷密度能夠實現能量轉化效率的最大化。該研究對納流體系輸運現象中表面電荷密度和離子選擇性的作用提供了新的思路和視角，對納米器件的設計提供了新的參考依據。 在本項基金的支持下，預計發表5篇SCI收錄的論文（2篇已投，另3篇在準備中），預計申請2項國家發明專利。通過本課題的執行，1人獲學士學位（四川大學），預計1人獲博士學位。