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科研成果
薛建明課題組與合作者在基于離子束制備的可調離子選擇性納米通道研究中取得重要進展
發布日期:2022-09-13 浏覽次數:
  供稿:重離子物理研究所  |   编辑:曲音璇   |   审核:马文君

北京大学物理学院重離子物理研究所、核物理与核技术国家重点实验室薛建明教授课题组与合作者基于离子束辐照技术研究并制备了具有电压可调离子选择性的高品质多功能石墨烯异质纳米通道,其不仅有作为高效离子筛分设备的潜力,还有望成为优异的仿生离子通道与阳离子价态敏感的纳米流体二极管。该研究开辟了制备二维纳米孔与固态整流纳米通道复合的异质结构以获得可调离子选择性这一新兴的研究领域。2022年8月19日,相关工作以“具有电压可调离子选择性的多功能石墨烯异质纳米通道”(Multifunctional graphene heterogeneous nanochannel with voltage-tunable ion selectivity)为题,在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。

具有離子選擇性的人工納米通道廣泛應用于海水淡化、離子篩分和納米流體器件等研究中,近年來已成爲納米通道領域的國際研究前沿之一。由于不同應用情形需要具有不同離子篩分能力的納米通道器件,因此長期以來研究人員都需根據特定要求制備相應的離子選擇性通道,需要消耗大量的時間與資源,且受到實驗技術的限制。雖然已有工作報道了某些具有可調離子選擇性的納米通道,但它們實際上是有著不同結構而性能固定的數個器件,因此真正具有可調離子選擇性納米通道的研究與制備仍然稀缺。

针对上述挑战,北京大学物理学院重離子物理研究所、核物理与核技术国家重点实验室薛建明教授课题组与中国科学院近代物理研究所杜广华研究员合作,利用离子束辐照成功制备了高品质石墨烯亚纳米孔,进一步设计并制备了一个多功能石墨烯异质纳米通道,由石墨烯亚纳米孔与锥形聚對苯二甲酸乙二醇酯納米通道構成(圖1)。該通道在不同外加電壓下展現出了不同的離子選擇性,不僅具有作爲高效一/二價離子篩分設備的潛力,還有望成爲優異的仿生離子通道與陽離子價態敏感的納米流體二極管(圖2)。該石墨烯異質納米通道的離子選擇性起源于帶負電的石墨烯亞納米孔,進一步結合計算模擬發現其等效電荷密度會受到通道內部電壓依賴的離子富集/耗盡效應的影響。該通道對一價和二價離子相反的整流效應則是由離子濃度梯度不同導致的擴散電流差異所引起的。前述工作爲構建類似的具有可調離子選擇性的多功能異質納米通道提供了新思路,開辟了這一新興的研究領域,有望快速滿足實際應用中複雜多變情形的不同需求。


图1 石墨烯异质纳米通道结构示意与石墨烯亚纳米孔扫描透射电子显微镜图像


图2 石墨烯异质纳米通道具有的电压可调离子选择性

2022年8月19日,相关研究成果以“具有电压可调离子选择性的多功能石墨烯异质纳米通道”(Multifunctional graphene heterogeneous nanochannel with voltage-tunable ion selectivity)为题,在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。北京大學物理學院2018級博士研究生蘇士皓、2017級博士研究生張一凡爲共同第一作者;北京大學物理學院薛建明教授、中國科學院近代物理研究所杜廣華研究員爲共同通訊作者;其他合作者還包括中國科學院近代物理研究所姚會軍研究員等。

上述研究工作得到了國家自然科學基金、科學挑戰專題、中國科學院近代物理研究所、北京大學電子顯微鏡驗室和北京大學高性能計算平台等支持。


論文原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-32590-9