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近日，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員唐智勇和李連山團(tuán)隊，在單分子層COF膜中的反常納流體輸運(yùn)機(jī)制的研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Anomalous Mechanical and Electrical Interplay in a Covalent Organic Framework Monolayer Membrane為題，在線發(fā)表在《美國化學(xué)會會志》（JACS）上。

近年來，人造納米孔道內(nèi)機(jī)械力激發(fā)的離子輸運(yùn)，因與生物離子通道的機(jī)械力響應(yīng)性的相似性而備受關(guān)注。目前，壓力響應(yīng)的離子通道集中于一維的碳納米管、二維的納米狹縫及單層石墨烯膜上的單納米孔。這些納流膜材料體系因低的孔密度或長的輸運(yùn)通道，離子通量均很低，因此在電場驅(qū)動離子輸運(yùn)的基礎(chǔ)上，外部機(jī)械壓力均導(dǎo)致跨膜離子電導(dǎo)的增加。相反，因難以制備同時具有高孔密度和短傳輸路徑的納流體膜，具有超高離子通量的納流膜內(nèi)的動-電耦合驅(qū)動離子輸運(yùn)現(xiàn)象未有報道。

該團(tuán)隊探索了具有超高滲透性的共價有機(jī)框架單分子層膜中的離子傳輸行為。研究發(fā)現(xiàn)單分子層COF膜的高孔密度和分子級厚度，導(dǎo)致低膜阻力和出色的離子和水透過性能，使其區(qū)別于石墨烯中的長納米管、縫隙和單一納米孔。該研究揭示了新穎的不依賴于外部電場和機(jī)械壓力的壓力誘導(dǎo)跨膜電流降低現(xiàn)象。Poisson-Nernst-Planck模擬及計算結(jié)果表明，一方面，單分子層COF膜的超高離子和水通量，使得電場驅(qū)動的由于電容效應(yīng)導(dǎo)致的離子在膜左、右兩側(cè)表面的積聚大幅下降；另一方面，外部壓力驅(qū)動水流運(yùn)動，使COF膜表面電容層快速耗散，之后，壓力主要驅(qū)動正（負(fù)）電極表面雙電層內(nèi)的負(fù)（正）離子跨膜輸運(yùn)，產(chǎn)生的流體電流方向與電場驅(qū)動離子輸運(yùn)產(chǎn)生的電流方向相反，二者疊加，總跨膜離子電流低于純電場驅(qū)動產(chǎn)生的跨膜離子電流，呈現(xiàn)出壓力 “關(guān)閉”跨COF膜離子輸運(yùn)的效果。這種現(xiàn)象是由于COF單分子層膜的超高滲透性引起的電場和外部壓力之間的新耦合機(jī)制。這一研究為機(jī)械壓力調(diào)節(jié)膜電導(dǎo)提供了新模式，有望在智能離子器件的開發(fā)中獲得應(yīng)用。

研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）等的支持。

論文鏈接

具有超高離子通量的COF單層膜及單層石墨烯膜上的單納米孔內(nèi)的動-電耦合機(jī)理對比。在具有超高離子通量的COF單層膜內(nèi) （圖a、b），電場驅(qū)動下，膜表面的電容層電荷積聚極弱（圖c），動電流產(chǎn)生于壓力驅(qū)動的電極表面雙電層內(nèi)的電荷輸運(yùn)（圖d）；而對于單層石墨烯膜上的單納米孔，因單孔的離子通量很低而導(dǎo)致強(qiáng)的電容效應(yīng)，膜表面的電荷集聚很強(qiáng)（圖e），形成強(qiáng)電容層，動電流產(chǎn)生于壓力驅(qū)動的電容層內(nèi)的電荷輸運(yùn)（圖f）。

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