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(jìn)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(jìn)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(shí)引起的離子流變化，對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行高時(shí)空分辨分析。該方法具有高精密度和高精確性的特點(diǎn)，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(dú)特的優(yōu)勢，由于其厚度薄、表面可制備孔徑并可進(jìn)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(bào)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(jìn)行精確的制孔操作，制備過程繁瑣昂貴，對(duì)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(jī)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(jìn)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(jìn)行離子傳輸?shù)难芯?，而在超薄二維MOFs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(jìn)行機(jī)理研究，最后以COMSOL多物理場模擬進(jìn)行機(jī)理驗(yàn)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(tái)。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(tái)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(shí)導(dǎo)致了離子整流的反轉(zhuǎn)和增強(qiáng)。對(duì)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(jìn)一步驗(yàn)證了I-V曲線上平臺(tái)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(jìn)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(shí)貢獻(xiàn)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(duì)于理解納米孔中傳輸機(jī)理有重要的意義，更對(duì)納米孔在離子檢測等實(shí)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(jí)碩士研究生張琦是該論文的第一作者，2016級(jí)本科生曹沛生、2017級(jí)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。

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