高能重离子潜径迹纳米孔形成机理和输运机制研究

To overcome the contradiction between the permeability and the selectivity, the ideal nanoporous membrane should have a high density of uniform-sized nanopores in the subnanometer scale. However, it has been challenging to meet this demand with the traditional track-etching method based on high-energy heavy ion irradiation. To this end, we recently developed a latent track nanopore fabrication method, successfully prepared polymer membranes with subnanometer pores, which maintains high permeability and high selectivity of ion transport. Based on this achievement, this project plans to conduct a systematic study combining experiments and simulations to explore the formation mechanism of the latent-track nanopore, to characterize the micro/nano structures and transport characteristics of the latent-track nanopore, and to establish models on the formation and transport of the nanopores. By summarizing the selective transport rules of ions or gas molecules through the latent-track nanopore, we will optimize the controllable fabrication method, design the latent-track nanopore with specific transport properties, facilitate the application of the nanoporous membranes in desalination, sewage treatment, energy storage and conversion, and help to provide a new solution to solve the increasingly serious human environment and energy problems.

为了突破纳米孔分离膜输运量和选择性的矛盾，需要制备密度高、孔径均一且尺寸接近亚纳米的纳米孔膜。但是基于高能重离子辐照的传统径迹刻蚀法制备的高分子纳米孔无法满足这一需求。为此我们最近原创了高能重离子潜径迹纳米孔制备工艺，成功制备了亚纳米的高分子纳米孔膜，初步实现了高通量和高选择性的离子输运。本项目计划在此基础上结合实验和模拟展开系统的研究，探索高能重离子潜径迹纳米孔形成机理，表征潜径迹纳米孔的微纳结构和输运特性，建立潜径迹纳米孔形成模型和选择性输运模型。通过总结离子或者气体分子的选择性输运规律，优化潜径迹纳米孔制备工艺，完善对具有特定输运性质潜径迹纳米孔的设计和可控制备，拓展潜径迹纳米孔在海水淡化、污水处理、能量储存和转化等方面的应用，为解决人类社会日益严峻的环境和能源问题提供了崭新的解决方案。

高能重离子辐照高分子材料所产生的潜径迹通过传统的化学蚀刻或我们最近发明的紫外辐照处理等方法可以制备微/纳米孔，在海水淡化、离子分离和分子检测方面有广泛的应用。但目前对潜径迹纳米孔的形成和输运性质尚缺乏系统的实验和理论研究。理解⾼分⼦潜径迹的形成机理是改进潜径迹纳米孔制备的基础，但相对于其他无机材料，它的形成过程更为复杂，且缺乏定量实验表征和模拟方法，其精细结构与形成机理尚不清楚。本项目组针对这些焦点问题，以高分子潜径迹及其纳米孔为研究对象开展了一系列创新研究。首先，开发了潜径迹及其纳米孔结构表征实验方法，发展了SAXS精细结构模型测量了高分子潜径迹的密度分布，通过定量FTIR等方法测量了化学反应截面。其次，为研究高分子潜径迹形成机理，建立了粗粒化和全原子的高分子模型，改进了热峰模型，模拟了可断键的潜径迹产生过程，提供了原子水平的精细结构。实验和模拟相互印证，发现高分子潜径迹核区域由径迹中心区和过渡区组成。因为径迹中心区发生了绝大多数的断/成键等化学变化，导致其密度严重减损，存在低密度、非均匀、多孔隙的纳米级的永久性损伤结构，这是高分子潜径迹纳米制备的结构基础 。最后，探索了纳米输运特性，扩展了Nernst-Planck方程以考虑离子纳米输运中的部分脱水效应；开展了纳米材料中离子选择性输运的分子动力学模拟，发现了混合离子输运选择性下降的机理；揭示了石墨烯纵向体系和横行体系相比在传输速率上有高达多个数量级提高的机制，发现纵向传输的石墨烯可以产生目前功率密度最高的浓差发电，对实现蕴藏于海水与河水交界处的“蓝色能源”的开发利用具有重大价值；发现一价离子在受到电场或压强梯度驱动时会呈现相反的选择性，在相反方向叠加电场和压强，可实现选择比趋于无穷的性质相似离子的分离。.项目组在Advanced Science和Small等杂志一共发表10篇相关论文。共培养博士生4名（3人已获博士学位），硕士生1名（已获硕士学位），以及本科生2名。 获邀请在国际会议报告3次。