中国科大在纳米限域传质研究领域取得新进展

近日，中国科学技术大学工程科学学院吴恒安教授研究团队与澳大利亚蒙纳士大学化学与生物工程系王焕庭教授研究团队展开合作，在纳米限域空间离子/质子的双向快速整流传输研究中取得了重要进展，研究成果发表在Science Advances上。

整流是指物质在通道中的单向传输，高效的离子整流通道是生物体调节各项生理机能的结构基础。此外，离子整流通道在清洁能源的转换和储存、可持续采矿的酸性溶液回收等工程技术实践中也有着广泛的应用前景。

蒙纳士大学王焕庭教授研究团队制备了一种由金属有机物框架（metal-organic framework, MOF）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET）组合而成的非均质通道结构。

我校计算力学团队发展了纳米限域传质理论模型，分析了该非对称纳米通道中离子/质子的整流传输现象，揭示了限域空间内金属离子和质子的双向快速整流传输机制。理论计算发现，限域空间内金属离子的传输受到浓度梯度的调控，而质子的传导则是由规则排列的水链结构决定，两种粒子不同的传输机制导致了该纳米通道具有双向整流特性。此外，由于MIL-53-COOH的通道中含有大量的极性官能团，分布在其中的水分子会与极性位点结合形成协同的氢键网络，进一步提高了质子的单向迁移能力，甚至高于相同尺寸碳纳米管中一维受限水链的质子传导能力，具有快速整流传输的特性。

本研究提出的限域空间内金属离子/质子的双向快速整流传输机制，为人工离子通道的结构设计提供了新的思路，有望推动高通量选择性膜技术的进一步发展。