吉林大学杨桦AM: 基于超亲水纳米通道的磁控离子门控开关

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调节离子和水等物质在纳米限域空间的运输在实际应用中具有重要意义，如生物传感，药物输送，物种分离，能量收集等。一直以来，纳米尺度智能门控的设计是受到科学界的广泛关注。到目前为止，用于离子传输的各种功能膜已被广泛研究，其外部触发因素从单一到多重刺激响应已经相继被报道出来。尽管这些门控系统智能且高效，然而，现有设计需要复杂的修饰并且不稳定，应用过程中仍然存在稳定性低，响应慢，修饰复杂，成本高等问题，这限制了它们的实际应用。

图1 影视作品中的液体门

在影视作品中，一种特殊的门已经被人们所熟知：液体门。正如图1所示的星际之门和传送门，它们可以作为一种宏观的门传输通过。这给了作者们很大的启发，通过选用磁场下的形态可控的磁流体，结合超亲水纳米通道成功实现了纳米限域内的智能离子传输（图2）。

图2 磁响应离子门控开关的设计

通过对纳米通道的不同浸润性修饰，我们可以发现随着纳米通道对磁流体的浸润性逐渐增加，门控比逐渐降低，稳定性也逐渐减弱。在超亲水的纳米通道上实现了最佳的门控效果，门控比可达10000，深入的稳定性实验表明该液体门控可实现超过100次的稳定开关（图3）。

图3 不同浸润性纳米通道的离子门控传输效果

进一步的深入探究发现，超亲水薄膜在表面以及纳米通道内部都不会对磁流体产生粘滞。其主要原因包括，1超亲水纳米通道内存在很大的毛细阻力，阻止其进一步的进入通道内部。2超亲水表面有一层致密的结合水保护其被磁流体污染（图4）。

图4 不同浸润性纳米通道的黏附性分析

该研究工作的意义在于首次实现磁流体在纳米流体限域空间内的可控离子传输。通过磁力和界面张力的竞争，可以实现油溶性磁流体在水下的可控形状变化。对膜润湿性研究表明，超亲水表面上的结合水起到保护层的作用，并且导致高的门控比和良好的稳定性。磁流体的引入开辟了纳米级传输调节的新途径。纳米流体的多功能性和易于操作有益于许多实际应用，例如微流体系统、能源发电和海水淡化等装置，有望进行大规模生产。这项工作可以进一步推广到其他纳米级孔隙，用于智能膜材料的开发，纳米级反应器，化学分离和电池膜甚至可扩展到药物输送，医疗设备和生物测定传感器等领域。

参考文献：

D. Y. Wang, S. Zheng, H. Liu, J. Y Tang, W. N. Miao, Y. Tian, H. Yang, L. Jiang, A magnetic gated nanofluidic based on the integration of super-hydrophilic nanochannels and reconfigurable ferrofluid. Adv. Mater. 2018, 1805953.

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201805953

来源：吉林大学

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