導(dǎo)讀

今天帶來的是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張振教授課題組近日發(fā)表在

ACS Nano

一、摘要

受生物離子通道啟發(fā)，納米流體膜因能實現(xiàn)高效離子傳輸以模仿生命體精確輸運(yùn)功能獲廣泛關(guān)注；通過可調(diào)理化性質(zhì)的超浸潤納米材料限域組裝，這類仿生系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異離子傳輸性能與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，成為多領(lǐng)域有力候選。本篇綜述概述仿生納米流體膜最新發(fā)展，圍繞分子、零維（0D）、一維（1D）、二維（2D）納米材料的維度特征展開討論，提出合理構(gòu)建該膜的通用設(shè)計框架（重點整合材料選擇、組裝過程與功能調(diào)節(jié)以優(yōu)化離子傳輸性能），隨后介紹其關(guān)鍵應(yīng)用（尤其滲透能轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換與人工突觸），最后展望發(fā)展挑戰(zhàn)與前景，旨在為超浸潤納米材料限域組裝構(gòu)建高性能仿生納米流體膜提供廣泛知識基礎(chǔ)。

二、引言

自然界生物系統(tǒng)經(jīng)長期進(jìn)化形成卓越功能結(jié)構(gòu)、優(yōu)異機(jī)械性能與高效信息傳輸，通過生物分子和納米結(jié)構(gòu)的限域組裝實現(xiàn)低能耗、高效率特征；研究其超浸潤系統(tǒng)（尤其細(xì)胞膜離子納米通道與離子泵），為模仿其微 / 納觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及組裝策略提供靈感，推動仿生納米流體膜發(fā)展并在能量轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、智能傳感、離子分離與納米流體器件等關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破，本文將聚焦跨分子、0D、1D、2D 多維度超浸潤納米材料的限域組裝，介紹納米流體膜的最新發(fā)展。

圖1. 本綜述主要主題示意圖：用于納米流體膜/應(yīng)用的超浸潤納米材料的限域組裝。

三、構(gòu)建策略

（一）分子組裝

分子自組裝為構(gòu)建超薄納米流體膜提供了一種有效方法，可以精確控制孔徑、表面功能化和孔密度。常用的技術(shù)包括溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)相分離、液-氣界面合成和表面活性劑輔助合成。

圖2. 分子組裝的構(gòu)建策略。 (a) 利用溶劑蒸發(fā)誘導(dǎo)相分離制備納米多孔膜的示意圖。該方法包括旋涂聚苯乙烯磺酸鈉（PSS）犧牲層，涂覆嵌段共聚物溶液，利用溶劑蒸發(fā)和紫外交聯(lián)形成膜，最后去除犧牲層。(b) 通過液-氣界面合成組裝兩親性吡啶基單體的示意圖。該方法利用疏水相互作用引導(dǎo)兩親性單體自組裝成有序單層，然后通過界面縮聚形成結(jié)晶薄膜。(c) 通過表面活性劑單層輔助界面合成組裝苯胺的示意圖。該方法利用表面活性劑的親水頭和疏水尾基團(tuán)調(diào)控單體預(yù)組織，從而通過界面聚合合成聚苯胺晶體。

（二）0D納米粒子組裝

0D納米材料，如膠體粒子，可通過自組裝策略構(gòu)建有序且可調(diào)的超結(jié)構(gòu)?；诩{米粒子的成膜策略利用界面張力或流體動力使納米粒子有序聚集，在粒子之間形成界定的間隙作為離子通道。

圖3. 0D納米粒子組裝的構(gòu)建策略。(a) 金納米粒子（Au NPs）液-液界面組裝的示意圖。該策略利用Au NPs表面的兩親性L-Phe配體驅(qū)動相鄰納米粒子的空間有序排列，形成手性超結(jié)構(gòu)膜。(b) 毛細(xì)作用力輔助的原位納米粒子組裝示意圖。在微流控通道內(nèi)，毛細(xì)作用力通過原位組裝構(gòu)建離子選擇性納米通道膜。(c) 用于反向納米粒子組裝的犧牲模板法示意圖。納米粒子組裝體作為模板，隨后通過化學(xué)蝕刻生成反向納米通道膜結(jié)構(gòu)。

（三）1D納米材料組裝

1D納米材料，包括聚合物納米纖維和無機(jī)納米管/納米線，因其高比表面積、可調(diào)直徑和機(jī)械強(qiáng)度而被廣泛用于制造納米流體膜。離子可以通過1D納米纖維之間的間隙或1D納米管內(nèi)部的孔道進(jìn)行傳輸。

圖4. 1D納米材料組裝的構(gòu)建策略。(a) 靜電紡絲誘導(dǎo)的納米纖維組裝示意圖。利用高壓電場引導(dǎo)納米纖維沉積成納米通道膜結(jié)構(gòu)。(b) TiO?/C?N?異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米管氣相自組裝示意圖。1D納米材料前驅(qū)體在氣相中重新分布，并通過高溫反應(yīng)組裝成納米通道膜。(c) CMWs陣列的順序超組裝示意圖。采用軟模板水熱合成法，通過順序聚電解質(zhì)反應(yīng)將納米線整合成陣列膜結(jié)構(gòu)。

（四）2D納米片組裝

石墨烯、過渡金屬二硫化物和MXenes等高性能2D納米片，因其原子級薄的幾何形狀、高縱橫比和可調(diào)的表面化學(xué)性質(zhì)，成為構(gòu)建納米流體膜的理想構(gòu)筑單元。通過控制納米片的空間取向和堆疊，可以形成仿生的層狀結(jié)構(gòu)。

圖5. 2D納米片組裝的構(gòu)建策略。(a) 剪切流誘導(dǎo)的納米片排列示意圖。在高粘度體系（如液晶）中，定向剪切力驅(qū)動微/納尺度片的有序組裝，形成納米通道膜。(b) 超鋪展誘導(dǎo)的納米片排列示意圖。液體超鋪展過程中產(chǎn)生的面內(nèi)剪切力驅(qū)動納米片在界面處高度定向組裝，形成納米通道膜。(c) 納米片的逐層自組裝示意圖。通過靜電相互作用交替沉積帶相反電荷的納米片，構(gòu)建自組裝納米通道膜。(d) 電泳誘導(dǎo)的納米片組裝示意圖。帶電納米片在電場作用下向帶相反電荷的電極遷移并沉積，形成納米通道膜結(jié)構(gòu)。

四、應(yīng)用

（一）滲透能轉(zhuǎn)換

滲透能來源于鹽度梯度界面，是一種極具潛力的可再生能源。通過受控的組裝策略構(gòu)建具有精確工程化仿生離子通道的納米流體膜，能夠定向調(diào)控離子傳輸動力學(xué)，提高離子選擇性和滲透通量，為高效的滲透能轉(zhuǎn)換提供了有效的解決方案。

圖6. 滲透能轉(zhuǎn)換應(yīng)用。(a) 由UiO-66-NH?納米粒子組裝的納米通道膜用于基于陰離子交換膜的反向電滲析的示意圖及功率輸出曲線。(b) 由絲素納米纖維組裝的納米通道膜用于基于陽離子交換膜的反向電滲析的示意圖及電化學(xué)性能曲線。(c) GO/IL納米流體膜的示意圖及輸出曲線，突出離子液體介導(dǎo)的在受限納米通道中的傳輸以增強(qiáng)滲透能轉(zhuǎn)換。

（二）光電轉(zhuǎn)換

光控智能納米流體系統(tǒng)作為一種仿生離子傳輸平臺，通過光誘導(dǎo)的表面電荷分布、局部熱場梯度、納米通道構(gòu)型和界面潤濕性的調(diào)控，實現(xiàn)了非接觸、高時空分辨率的主動離子傳輸。

圖7. 光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用。(a) Au NPs組裝的納米通道膜用于納米流體離子光電轉(zhuǎn)換的示意圖及光響應(yīng)曲線。(b) 基于碳納米管（CNTs）的納米通道用于光驅(qū)動離子泵，以及由不同方向、不同功率密度的光產(chǎn)生的交流電示意圖。(c) 石墨二炔氧化物組裝的納米通道膜用于光輔助滲透能轉(zhuǎn)換的示意圖及光強(qiáng)度依賴的光電流曲線。

（三）人工突觸

受生物神經(jīng)系統(tǒng)低功耗和高并行計算能力的啟發(fā)，基于納米尺度限域組裝的納米流體器件為突破電子器件的物理極限提供了一種仿生解決方案。通過復(fù)制短期/長期可塑性、赫布學(xué)習(xí)規(guī)則和脈沖編碼功能等關(guān)鍵突觸特征，這些器件推動了信息處理范式向存算一體的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)發(fā)展。

圖8. 人工突觸應(yīng)用。(a) 由帶電硅納米粒子組裝的納米流體系統(tǒng)用于納米流體離子憶阻器的示意圖，以及基于硬件非線性特性和算法協(xié)同優(yōu)化的高效計算范式。(b) 用于離子調(diào)控的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，由PVDF納米纖維膜組裝的納米流體膜構(gòu)成，應(yīng)用于復(fù)雜的計算任務(wù)。(c) 基于MoS?納米片組裝的納米流體器件中動態(tài)離子調(diào)控的硬件-算法協(xié)同設(shè)計計算架構(gòu)示意圖。

五、未來展望

未來研究方向與改進(jìn)有：

1. 借助 COF、沸石納米粒子、MXene 等新興納米材料及多尺度異質(zhì)組裝，構(gòu)建孔徑、表面電荷密度可控的限域輸運(yùn)通道；

2. 結(jié)合表面改性與多尺度組裝，研究離子傳輸微觀機(jī)理（如氫鍵網(wǎng)絡(luò)作用、外部場響應(yīng)）；

3. 推動滲透能與電催化、光伏結(jié)合的混合能量轉(zhuǎn)換技術(shù)；

4. 發(fā)展用于腦機(jī)接口、神經(jīng)形態(tài)計算的納米流體電路。

總之，超浸潤納米材料限域組裝為定制離子傳輸納米流體膜提供變革性方法，材料設(shè)計、組裝控制與功能集成的持續(xù)創(chuàng)新將推動其從概念轉(zhuǎn)向?qū)嵱眉夹g(shù)。

圖9. 仿生納米流體膜的挑戰(zhàn)與展望。(a) 基于分子、0D、1D和2D納米材料的新興納米流體膜材料。(b) 基于仿生納米流體膜的離子傳輸機(jī)制。(c) 基于納米流體系統(tǒng)的混合能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。(d) 未來的納米流體電路。

六、文章創(chuàng)新點

1. 首次基于構(gòu)筑單元維度（分子、0D、1D、2D）系統(tǒng)總結(jié)分類仿生納米流體膜構(gòu)建策略，為高性能膜材料理性設(shè)計提供清晰框架；

2. 突出納米材料 “超浸潤性” 在限域組裝中的關(guān)鍵作用，可精確調(diào)控納米通道形成、界面性質(zhì)及離子傳輸行為；

3. 綜述其在滲透能轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、人工突觸三大前沿領(lǐng)域應(yīng)用，深入探討組裝策略 - 膜結(jié)構(gòu) - 功能性能的構(gòu)效關(guān)系；

4. 剖析領(lǐng)域挑戰(zhàn)與機(jī)遇，提出含新材料開發(fā)、微觀機(jī)理探索等的未來研究路線圖。

七、作者簡介

張振，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任教授（獨立PI），國家高層次青年人才（海外），中國科學(xué)院百人計劃B入選者（擇優(yōu)），全球前2%頂尖科學(xué)家（2021-2025），德國“洪堡”學(xué)者，姑蘇領(lǐng)軍人才。2013年6月本科畢業(yè)于吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，2018年6月博士畢業(yè)于中國科學(xué)院化學(xué)研究所（導(dǎo)師：江雷院士），隨后受德國洪堡基金會的資助，先后在德累斯頓工業(yè)大學(xué)和馬克斯普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所從事博士后研究，2021年8月起任課題組長（合作導(dǎo)師：馮新亮教授，德國工程院院士，歐洲科學(xué)院院士），2022年6月加入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院/化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院。主要研究方向為仿生微納孔材料及其能源傳感應(yīng)用，在國際綜合和專業(yè)期刊發(fā)表SCI論文60余篇，其中第一作者或通訊作者論文 30余篇，包括

Nat. Rev. Mater

Nat. Synth.

Nat. Commun.

PNAS

Sci. Adv.

Chem. Soc. Rev.

J. Am. Chem. Soc.

Adv. Mater.

Angew. Chem. Int. Ed.