近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州高等研究院張振教授在國際知名三大化學(xué)化工綜述性期刊之一《Chemical Society Reviews》（化學(xué)學(xué)會(huì)評論），發(fā)表了題為“Bioinspired 2D nanofluidic membranes for energy applications”的綜述論文，文章對生物啟發(fā)的二維納米流體膜及其在能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了全面的總結(jié)與討論，并對該領(lǐng)域在未來可能面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望，被選為正封面論文（Outside front cover）。

細(xì)胞膜中的生物納米通道具有離子選擇性，并能夠控制離子的跨膜傳輸，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的信號傳遞和能量轉(zhuǎn)移，維持正常的生理功能。實(shí)際上，這種離子選擇性納米通道中的快速離子傳輸與納米流體學(xué)密切相關(guān)，它往往涉及獨(dú)特而豐富的物理和化學(xué)現(xiàn)象，包括非線性傳輸、選擇性門控和更高的質(zhì)子遷移率。納米流體學(xué)和微流體學(xué)之間截然不同的傳質(zhì)行為和現(xiàn)象為物理學(xué)、化學(xué)、材料、能源、生物學(xué)等領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了前所未有的機(jī)遇。

二維納米流體學(xué)研究離子、分子和水通過由二維膜的傳輸行為，二維納米流體通道具有以下突出優(yōu)勢：(1) 基于二維膜的納米流體通道構(gòu)造簡單高效；(2) 二維膜能夠產(chǎn)生更高的離子通量，因?yàn)橹匦露询B的納米片很容易擴(kuò)大厚度和橫向尺寸，從而形成前所未有的大規(guī)模納米流體通道陣列；(3) 在組裝二維膜之前，可以通過修改納米片來調(diào)整表面電荷和納米通道的尺寸，從而避免了在二維膜內(nèi)對納米通道表面進(jìn)行化學(xué)功能化的挑戰(zhàn)。因?yàn)槎S納米流體膜具有上述特殊優(yōu)勢，且納流離子傳輸可精確控制到納米或亞納米尺度，所以生物啟發(fā)的二維納米流體膜可以重現(xiàn)與生物體內(nèi)類似的整流、門控、能量轉(zhuǎn)移和刺激響應(yīng)功能。

圖：用于能源應(yīng)用的生物啟發(fā)二維納米流體膜。(a) 電鰻器官和離子在生物納米通道中的超快傳輸。(b) 生物啟發(fā)二維膜和相應(yīng)的離子傳輸過程。(c-d）生物啟發(fā)二維膜在能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)中的應(yīng)用。

本文首先對生物啟發(fā)的二維納米流體膜進(jìn)行了分類，其次介紹了構(gòu)建二維納米流體膜的原材料，并總結(jié)了自上而下和自下而上構(gòu)建二維膜的方法。緊接著詳細(xì)討論了生物啟發(fā)二維膜在滲透能、機(jī)械能、光電轉(zhuǎn)換、鋰電池和液流電池中的應(yīng)用。最后，展望了生物啟發(fā)二維膜所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。這些具有互連納米流體通道的二維膜能夠在未來激發(fā)無限可能性。

該論文的第一作者為蘇州高等研究院博士后雷丹丹，通訊作者為張振教授，第一通訊單位為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3CS00382E

（蘇州高等研究院、科研部）