國家納米中心在單分子層COF膜反常輸運機制研究中獲進(jìn)展

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近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員唐智勇和李連山團隊，在單分子層COF膜中的反常納流體輸運機制的研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Anomalous Mechanical and Electrical Interplay in a Covalent Organic Framework Monolayer Membrane為題，在線發(fā)表在《美國化學(xué)會會志》（JACS）上。

近年來，人造納米孔道內(nèi)機械力激發(fā)的離子輸運，因與生物離子通道的機械力響應(yīng)性的相似性而備受關(guān)注。目前，壓力響應(yīng)的離子通道集中于一維的碳納米管、二維的納米狹縫及單層石墨烯膜上的單納米孔。這些納流膜材料體系因低的孔密度或長的輸運通道，離子通量均很低，因此在電場驅(qū)動離子輸運的基礎(chǔ)上，外部機械壓力均導(dǎo)致跨膜離子電導(dǎo)的增加。相反，因難以制備同時具有高孔密度和短傳輸路徑的納流體膜，具有超高離子通量的納流膜內(nèi)的動-電耦合驅(qū)動離子輸運現(xiàn)象未有報道。

該團隊探索了具有超高滲透性的共價有機框架單分子層膜中的離子傳輸行為。研究發(fā)現(xiàn)單分子層COF膜的高孔密度和分子級厚度，導(dǎo)致低膜阻力和出色的離子和水透過性能，使其區(qū)別于石墨烯中的長納米管、縫隙和單一納米孔。該研究揭示了新穎的不依賴于外部電場和機械壓力的壓力誘導(dǎo)跨膜電流降低現(xiàn)象。Poisson-Nernst-Planck模擬及計算結(jié)果表明，一方面，單分子層COF膜的超高離子和水通量，使得電場驅(qū)動的由于電容效應(yīng)導(dǎo)致的離子在膜左、右兩側(cè)表面的積聚大幅下降；另一方面，外部壓力驅(qū)動水流運動，使COF膜表面電容層快速耗散，之后，壓力主要驅(qū)動正（負(fù)）電極表面雙電層內(nèi)的負(fù)（正）離子跨膜輸運，產(chǎn)生的流體電流方向與電場驅(qū)動離子輸運產(chǎn)生的電流方向相反，二者疊加，總跨膜離子電流低于純電場驅(qū)動產(chǎn)生的跨膜離子電流，呈現(xiàn)出壓力 “關(guān)閉”跨COF膜離子輸運的效果。這種現(xiàn)象是由于COF單分子層膜的超高滲透性引起的電場和外部壓力之間的新耦合機制。這一研究為機械壓力調(diào)節(jié)膜電導(dǎo)提供了新模式，有望在智能離子器件的開發(fā)中獲得應(yīng)用。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接

具有超高離子通量的COF單層膜及單層石墨烯膜上的單納米孔內(nèi)的動-電耦合機理對比。在具有超高離子通量的COF單層膜內(nèi) （圖a、b），電場驅(qū)動下，膜表面的電容層電荷積聚極弱（圖c），動電流產(chǎn)生于壓力驅(qū)動的電極表面雙電層內(nèi)的電荷輸運（圖d）；而對于單層石墨烯膜上的單納米孔，因單孔的離子通量很低而導(dǎo)致強的電容效應(yīng)，膜表面的電荷集聚很強（圖e），形成強電容層，動電流產(chǎn)生于壓力驅(qū)動的電容層內(nèi)的電荷輸運（圖f）。

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