近日，南京師范大學(xué)化科院古志遠(yuǎn)教授課題組在納米孔領(lǐng)域取得重要研究進展。相關(guān)成果以“Nonlinear Ion Transport through Ultrathin Metal–Organic Framework Nanosheet”為題發(fā)表在AdvancedFunctional Materials《先進功能材料》上。

固態(tài)納米孔技術(shù)是近十年新興的分析檢測技術(shù)，其利用目標(biāo)物通過納米孔時引起的離子流變化，對目標(biāo)物進行高時空分辨分析。該方法具有高精密度和高精確性的特點，可應(yīng)用于蛋白質(zhì)分析、DNA測序、智能仿生材料和能源轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。納米孔中離子傳輸?shù)睦碚撗芯坎粌H有助于深入理解細(xì)胞膜上的離子通道，而且可應(yīng)用于仿生或者能源轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。

二維材料在納米孔的制備上有其獨特的優(yōu)勢，由于其厚度薄、表面可制備孔徑并可進行化學(xué)后修飾等特性比三維材料有更好的利用前景。目前研究領(lǐng)域內(nèi)，二維材料主要有石墨烯、二硫化鉬、氮化硼、PET等，這些報道揭示了納米限域范圍內(nèi)自然界中特殊的物理化學(xué)現(xiàn)象。但是目前的多數(shù)材料需要在膜表面進行精確的制孔操作，制備過程繁瑣昂貴，對人員專業(yè)要求高，所以在一定程度上限制了固態(tài)納米孔的發(fā)展。而二維金屬有機骨架材料（2-D MOFs）是新興發(fā)展的片層材料，由于其本身具有多孔結(jié)構(gòu)的特性，而且其種類繁多，很容易進行后修飾和孔徑的改變，具有著很好的研究前景。目前已經(jīng)有MOFs應(yīng)用到固態(tài)納米孔領(lǐng)域進行離子傳輸?shù)难芯浚诔《SMOFs納米片中尚未有突破。

近日，南京師范大學(xué)的古志遠(yuǎn)教授課題組，采用本身具有多孔性的2-D MOFs作為固態(tài)納米孔，提出基于電泳的MOFs納米孔制備新方法，發(fā)現(xiàn)了MOFs納米孔內(nèi)非線性離子傳輸現(xiàn)象，并通過改變親疏水性和孔徑進行機理研究，最后以COMSOL多物理場模擬進行機理驗證。

首先通過電擊穿打孔的方式在SiNx上制備納米孔作為基底，其次利用自下而上的方式直接合成了二維Zr-BTB-BA納米片，利用電泳方式構(gòu)建MOFs納米孔的研究平臺。通過改變?nèi)芤旱乃釅A性，發(fā)現(xiàn)了在不同的酸堿條件下，納米孔內(nèi)的離子傳輸受到電荷作用和疏水作用的共同影響。在酸性條件下材料的疏水作用為主，導(dǎo)致了小電壓范圍內(nèi)電流-電壓（I-V）曲線平臺的出現(xiàn)，且存在小幅度的離子整流；而在堿性條件下材料的電荷作用為主，電性發(fā)生改變，同時導(dǎo)致了離子整流的反轉(zhuǎn)和增強。對比不同調(diào)劑合成的二維Zr-BTB-FA、Zr-BTB-PABA納米片的親疏水性，進一步驗證了I-V曲線上平臺的出現(xiàn)是納米孔的疏水作用所引起，而電荷作用導(dǎo)致整流現(xiàn)象的發(fā)生。最后利用COMSOL模擬進一步研究了納米孔內(nèi)陰陽離子的傳輸行為，兩種離子在不同電壓極性時貢獻電流有很大的差異，從而導(dǎo)致離子整流現(xiàn)象的發(fā)生。超薄MOFs納米片非線性離子傳輸研究不僅對于理解納米孔中傳輸機理有重要的意義，更對納米孔在離子檢測等實際應(yīng)用中有著不可替代的作用。

南京師范大學(xué)化科院2017級碩士研究生張琦是該論文的第一作者，2016級本科生曹沛生、2017級本科生程悅參與了該論文的研究工作，南京師范大學(xué)為唯一通訊單位，古志遠(yuǎn)教授為通訊作者。

責(zé)任編輯：lq