導(dǎo)語
生物納米通道通過細(xì)胞膜控制不同離子的輸運(yùn)，其調(diào)控機(jī)制不僅取決于通道的固有結(jié)構(gòu)和內(nèi)表面的物理化學(xué)性質(zhì)，還取決于它們在生命過程中的各種動態(tài)形狀變化。人工納米通道膜作為模擬生物納米通道的離子傳輸性能的平臺，為生命科學(xué)和材料科學(xué)中的許多應(yīng)用提供潛在工具和科學(xué)指導(dǎo)。近年來，許多應(yīng)用于納流控和生物傳感的人工納米通道膜被開發(fā)出來，其主要通過在納米通道的內(nèi)表面上修飾功能性分子作為刺激響應(yīng)層來調(diào)節(jié)離子輸運(yùn)。然而，生物納米通道的動態(tài)形狀變化也是相當(dāng)重要的，例如在生理和病理生理過程中，細(xì)胞間會出現(xiàn)不間斷彎曲的納米通道。
目前，人工納米通道主要通過靜態(tài)方法在納米通道內(nèi)表面上修飾功能性分子，以實現(xiàn)刺激響應(yīng)。因此，靜態(tài)納米通道中的離子傳輸調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)它們的有效通道尺寸來實現(xiàn)。最新報道的電流動態(tài)可調(diào)納米孔或納米通道仍然是通過表面修飾來控制有效孔徑以實現(xiàn)調(diào)節(jié)離子電流的目的。所以，如何賦予人工納米通道動態(tài)的形狀變化和固定通道尺寸以控制離子傳輸仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。目前的動態(tài)納米通道制備方法由于材料的選擇和納尺度空間阻塞問題使其幾乎不能同時兼顧柔性和納米尺寸。盡管已經(jīng)有報道可調(diào)節(jié)的彈性體納米通道，但是這些納米通道的尺寸是離子尺寸的三個數(shù)量級以上，并且它們沒有涉及軸向變形。近日，廈門大學(xué)的侯旭教授課題組進(jìn)一步開發(fā)了動態(tài)納米通道系統(tǒng)的概念，報道了一種動態(tài)曲率納米通道膜系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有依賴于電壓、濃度和離子大小的反常效應(yīng)，可通過調(diào)節(jié)曲率實時控制離子整流效應(yīng)的可逆轉(zhuǎn)換。這是一種通過使用通道曲率的動態(tài)變化來實時調(diào)節(jié)離子整流從而調(diào)節(jié)納米通道中的離子傳輸?shù)男路椒?。這種動態(tài)方法可用于構(gòu)建智能納米通道系統(tǒng)，在柔性的納流控體系、離子整流器和納米發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究成果以 “Dynamic Curvature Nanochannel-Based Membrane with Anomalous Ionic Transport Behaviors and Reversible Rectifcation Switch” 為題發(fā)表于國際著名期刊Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.201805130）。
侯旭教授課題組簡介
侯旭教授課題組現(xiàn)有教授1名、iChEM Fellow1名、特聘副研究員1名、特任助理研究員4名、博士后3名、博士6名、碩士11名，依托廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室和能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心。課題組目前開展的研究工作包括：膠體與界面化學(xué)、仿生和智能多尺度孔/通道系統(tǒng)、膜科學(xué)和技術(shù)、微流體、界面科學(xué)、物理化學(xué)、電化學(xué)和應(yīng)用于節(jié)能和生物醫(yī)學(xué)的微納制造。
侯旭教授簡介
侯旭，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。2006年和2011年分別獲得四川大學(xué)和中科院國家納米中心的學(xué)士和博士學(xué)位，導(dǎo)師是江雷研究員。2012年在哈佛大學(xué)Aizenberg課題組開展博士后研究工作，2015年10月加入廈門大學(xué)，是廈門大學(xué)依托國家海外高層次人才引進(jìn)計劃青年項目引進(jìn)的國外杰出人才。曾先后在中國國家納米科學(xué)中心、美國哈佛大學(xué)Wyss仿生工程研究所、美國哈佛大學(xué)-麻省理工學(xué)院HST中心、中國廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室等國際一流研究機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)與工作，主要從事微/納尺度多孔膜科學(xué)與技術(shù)研究。目前，已經(jīng)出版2本國際學(xué)術(shù)著作，以第一及通訊作者身份發(fā)表論文28篇，其中包括Nature（1篇）、Nat. Rev. Mater.（1篇）、Sci. Adv.（1篇）、Nat. Commun.（1篇）、Chem. Soc. Rev.（1篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Adv. Mater.（5篇）。同時，申請國家專利11項，美國專利3項。論文被引用次數(shù)為3100余次，H-Index為27。曾獲中國化學(xué)會青年化學(xué)獎、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“納米科技”重點(diǎn)專項首席科學(xué)家、福建省杰出青年基金（2018）、6）、福建省百人計劃（2017）、美國化學(xué)會SciFinder化學(xué)領(lǐng)域未來領(lǐng)袖（2014，全球18位）、美國哈佛大學(xué)博士后事業(yè)發(fā)展獎（全校10位）、Springer論文獎（2013年）、中國科學(xué)院優(yōu)秀博士學(xué)位論文（2012）、全國膠體與界面化學(xué)優(yōu)秀成果獎一等獎（全國2位）、全國盧嘉錫優(yōu)秀研究生獎（2011）等。學(xué)術(shù)任職：《中國化學(xué)快報》青委會物理化學(xué)副主任（2017年至今）、《應(yīng)用化學(xué)》青年編委（2017年至今）、固體表面化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室青委會副主任（2017年至今）、首批閩江科學(xué)傳播學(xué)者（2017年至今）。
前沿科研成果
曲率驅(qū)動的動態(tài)納米限域空間中的反常離子輸運(yùn)行為及其離子整流實時動態(tài)調(diào)控
廈門大學(xué)的侯旭教授課題組進(jìn)一步發(fā)展了動態(tài)納米通道系統(tǒng)的概念，報道了一種動態(tài)曲率納米通道膜系統(tǒng)。作者制備動態(tài)納米通道膜的過程如圖1a所示，膜厚度約15微米。作者將內(nèi)徑約8 nm的碳納米通道（CNs）鑲嵌在可變形的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，形成可彎曲的軸向納米通道。通過預(yù)彎曲和長度調(diào)節(jié)，作者構(gòu)建了不對稱彎曲的納米通道，這些通道的形狀在后面的變形過程中始終是非對稱的。同時，作者制備了未彎曲的納米通道以研究它們的離子傳輸在動態(tài)變形過程中的性能。作者使用端口接枝方法確保只有陽離子可以通過納米通道，這有利于研究納米通道變形的影響。作者發(fā)現(xiàn)動態(tài)變形的納米通道中表現(xiàn)出反常的離子傳輸行為（圖1b）。整流比定義為納米通道中負(fù)偏壓和正偏壓下的電流比。在低電壓（V，曲線II）、低濃度（C，曲線I）或小尺寸的離子（S，曲線III）條件下，納米通道的變形會成為影響離子傳輸?shù)闹饕蛩?/strong>，并且有其不同的影響定律。而在高電壓/濃度/離子尺寸下，變形幾乎對離子整流比沒有影響，類似于未彎曲的納米通道：隨著電壓/濃度/離子尺寸的增加，離子電流處于穩(wěn)定的線性增加狀態(tài)（圖1c）。因此，低電壓/濃度/離子尺寸條件下，離子整流的動態(tài)控制可以通過納米通道的主動變形和恢復(fù)來實現(xiàn)，以滿足特定的離子傳輸需要或?qū)崿F(xiàn)離子整流的動態(tài)切換。
圖1、動態(tài)納米通道膜的設(shè)計及反常離子傳輸行為。（a）可變形納米通道的制備過程；（b）動態(tài)納米通道中的離子傳輸行為；（c）動態(tài)納米通道中的反常離子傳輸行為和動態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
（來源：Adv. Mater.）
為了獲得非對稱彎曲的納米通道膜，作者按照圖2a中的方法，選擇預(yù)彎曲作為第一步，提供預(yù)設(shè)曲率的碳納米管陣列。碳納米管陣列在500 N的水平壓力下，曲率為1.7±0.04（由膜厚度除以膜長度估算出）。隨后，作者采用PDMS浸潤固化和超薄切片，獲得了直的和彎曲的碳納米通道（圖2a）。預(yù)彎曲過程產(chǎn)生的S形納米通道高度約20 μm，作者巧妙地將膜厚度設(shè)計為15 μm以確保納米通道的曲率是非對稱的。作者通過等離子體氧化過程打開碳納米通道的端口并接枝了羧基，將疏水界面變成親水界面。經(jīng)等離子體處理的碳納米通道的吸附能力比商業(yè)納米通道（聚碳酸酯多孔膜，孔徑為100 nm）高一個數(shù)量級（圖2b）。作者進(jìn)一步評估了膜的離子選擇性，根據(jù)TMS理論，設(shè)置膜兩側(cè)的KCl溶液具有不同的濃度差，通過測試兩邊的電位差來計算膜的選擇性。在實驗中，圖2c中Φ對log(αL/αR)的擬合曲線圖表明經(jīng)等離子體處理的膜具有良好的陽離子選擇性，而未經(jīng)處理的膜幾乎沒有選擇性。
圖2、非對稱彎曲納米通道膜的制備以及陽離子選擇性。（a）非對稱彎曲納米通道的和直的納米通道的制備；（b）氮吸附-解吸等溫曲線和孔徑表征；（c）納米通道的離子選擇性能表征。
（來源：Adv. Mater.）
該項研究成果發(fā)表于國際著名期刊Adv. Mater.(DOI: 10.1002/adma.201805130)，該論文的第一作者為廈門大學(xué)特聘副研究員王苗，通訊作者是廈門大學(xué)侯旭教授。
關(guān)于人物與科研
在科技元素在經(jīng)濟(jì)生活中日益受到重視的今天，中國迎來了“科學(xué)技術(shù)爆發(fā)的節(jié)點(diǎn)”?？萍歼M(jìn)步的背后是無數(shù)科學(xué)家的耕耘。在化學(xué)領(lǐng)域，在追求創(chuàng)新驅(qū)動的大背景下，國際合作加強(qiáng)，學(xué)成歸國人員在研發(fā)領(lǐng)域的影響日益突出，國內(nèi)涌現(xiàn)出眾多非常優(yōu)秀的課題組。為此，CBG資訊采取1+X報道機(jī)制，CBG資訊、ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官方微博、CBG微信訂閱號等平臺合力推出“人物與科研”欄目，走近國內(nèi)頗具代表性的課題組，關(guān)注他們的研究，傾聽他們的故事，記錄他們的風(fēng)采，發(fā)掘他們的科研精神。
* 歡迎聯(lián)系：editor@chembeango.com
聯(lián)系客服
