作者:江雷等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2014-5-6 17:17:09
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仿生纳米通道构筑及限域区域内的离子输运

 

基于限域水的仿生一维纳米材料的构筑及应用

自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。自然界中的生命体经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化,其结构与功能已达到几乎完美的水平。例如,出淤泥而不染的荷花利用其叶片上具有的微纳米乳突实现其自清洁的功能,具有“水上飞”之称的水黾利用其腿部特殊的微纳米结构使其在水面上来去自如功能,等等。同样,在生物体内部也存在大量与水相互作用的功能单元。由膜蛋白组成的离子通道就是这些功能单元的典型代表。例如,电鳗鱼利用腹部肌肉细胞内富含的各类具有选择性的离子通道和离子泵,产生巨大的电击能量用于捕食或者自卫,一次性输出最大电脉冲幅值可达600伏特,体现出高效能量转换本领。
 
基于仿生理念,化学所江雷研究员课题组围绕“水”科学做了大量而又深入的研究工作,包括二维表界面材料的浸润、去浸润和超浸润现象;在此基础上,他们又将二维表界面材料对水的浸润性转移到溶液中,研究水下表界面材料对于油的浸润性,实现了仿鱼皮性能的水下自清洁材料。近年来,江雷研究员课题组又将研究重点转向限域于一维微纳结构材料的限域水,研究内容包括,一维纳米材料表面的限域水,如蜘蛛丝和仙人掌类植物的刺对空气中雾水的凝结及收集;一维纳米锥结构用于油水分离体系以及一维纳米通道内部的限域水,即受生物离子通道启发的智能纳米通道的构筑及限域区域内离子的输运性质;等等。
 
限域水的研究不仅与生命自身的生存和发展密切相关,也关系到整个人类社会的可持续健康发展。仿蜘蛛丝和仿仙人掌刺的研究结果表明,限域水的研究有助于解决当前世界面临的淡水资源匮乏问题。随着全球气候变暖现象的不断加剧,能源短缺和水资源匮乏的问题在有的地方也愈演愈烈。然而,即使是极度缺水的干旱地区,在雾气中也含有大量的水分。因此,如果能够充分利用雾气中的水分,使其在某种条件下凝结并收集水分,将有望解决水资源匮乏的问题。而生物体中高效能量转换效率的离子通道不但在尺度上具有纳米尺度效应,而且还具备重要的生物选择性,两者的完美统一保证了物质和信息在生物体与外界的有效传递和交换,显示出在能量转换和存储方面远远超越目前人工传统能源器件的能量效率。因此,以结构仿生的观点构筑纳米多级次、多尺度、不对称的结构单元并将其组装,势必能极大提高能源器件的转换效率,实现利用新技术解决能源短缺的难题。
 
由中国科学院化学研究所江雷院士担任通讯作者的综述文章“仿生纳米通道的构筑及限域区域内的离子输运”已在《国家科学评论》(NSR,http://nsr.oxfordjournals.org/content/current)创刊号发表。在这篇综述中,作者们详细阐述了仿生纳米通道的构筑及限域区域内离子的输运性质,研究内容主要包括仿生纳米通道的构筑、性质及应用;并结合具体实例阐明智能纳米通道在传感、能源转换以及过滤等方面的应用。(来源:科学网)
 
 
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