载能重离子技术辅助制备功能性固体纳米孔道

纳米孔道技术及应用是近几年发展起来的纳米科学及纳米生物学的重要前沿与热点研究领域。载能重离子径迹方法制备的纳米孔道在核酸分子测序和蛋白质分子检测及模拟细胞膜离子通道的离子输运和开关功能等方面均显示出了独特的优势，成为国际上纳米孔道技术研究与应用的热点。本项目将结合人工固体纳米孔道研究与应用的国际发展趋势及已有研究基础，基于载能重离子径迹技术并通过与纳米、化学及生物学等学科的交叉及技术融合，在高分子膜和硅基膜上制备多种刺激响应的固体人工离子通道，拓展固体单纳米孔道的开关功能；制备出具有高转化效率的纳流电池及电流源，拓展纳米孔道在作为能量转换器件方面的应用潜力；制备出孔径均匀的高分子材料纳米多孔膜，从而使纳米孔道的特性与潜力得到大规模实际应用；制备出硅基超薄纳米多孔膜，从而能实际应用于分子筛等器件的制造。通过上述研究，在国际纳米孔道研究领域处于有利地位并促进该项新技术的实际应用奠定坚实基础。

在本基金项目的支持下，通过在纳米孔内壁修饰具有温度响应特性的聚合物分子，制备出具有温度响应整流效应的纳流二极管体系，相关工作被《ChemPhysChem》杂志选为封面文章发表后，在国际上引起了较大反响。进一步修饰了对温度和pH值具有双重响应特性的共聚物分子刷，制备了具有温度和pH双重响应特性的纳米孔道器件。利用纳米核孔内壁表面电荷密度高及离子选择性强的特性，提出并完成了浓度梯度驱动的纳流电源的实验和理论研究。该项工作首次实现了通过具有离子选择性的纳米孔道将溶液中以离子浓度梯度形式存在的化学能转化成为可以输出的电能的方法并深入研究了纳流反电渗析系统中不同电解质溶液的扩散行为。利用常见的阳离子表面活性剂（CTAB）锥形纳米孔进行可控化物理吸附，得到了调制比大范围可控的纳流二极管体系。利用难溶性盐在高分子锥形纳米孔中聚集与分解效应，实现了模拟生物离子通道门控电压效应的电流震荡现象，得到了高品质纳米流体脉冲信号发生器。构筑了利用DNA超级三明治（DNA supersandwich）和ATP共同驱动的纳流器件，它的开关比可以达到10E6，在关闭状态下提供~GΩ量级的封装电阻。基于这一可逆的“全有”或“全无”（all-or-none）的电化学特性，我们第一次在纳流体系上实现了IMPLICATION的逻辑操作。将能够在离子液体中具有温度响应特性的聚合物与固体纳米孔道相结合，构筑了非水溶剂的智能隔膜体系。它不仅具有150度附近的高温闭孔特性，而且孔道一旦关闭，即使温度下降，也不再打开，从而保证了安全。在构筑新型纳米孔道器件方面，我们发展了基于二维材料的超薄纳米孔道器件。.在本项基金的支持下，共发表10篇影响因子大于3的SCI收录论文，其中影响因子9以上的4篇（按2011年影响因子）。申请2项国家发明专利，授权发明专利1项。通过本课题的执行，3人获北京大学博士学位，1人获学士学位。1名课题组成员破格晋升为中科院化学所副研究员并获得基金重大项目课题的资助。