近日，南京師範大學化科院古志遠教授課題組在納米孔領域取得重要研究進展。相關成果以「Nonlinear Ion Transport through Ultrathin Metal–Organic Framework Nanosheet」為題發表在Advanced Functional Materials《先進功能材料》上（Adv. Funct. Mater.2020, 30, 2004854）。Advanced Functional Material雜誌是Wiley公司的材料和化學領域的旗艦期刊，最新影響因子為16.836。
固態納米孔技術是近十年新興的分析檢測技術，其利用目標物通過納米孔時引起的離子流變化，對目標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，可應用於蛋白質分析、DNA測序、智能仿生材料和能源轉化等領域。納米孔中離子傳輸的理論研究不僅有助於深入理解細胞膜上的離子通道，而且可應用於仿生或者能源轉化領域。
二維材料在納米孔的製備上有其獨特的優勢，由於其厚度薄、表面可製備孔徑並可進行化學後修飾等特性比三維材料有更好的利用前景。目前研究領域內，二維材料主要有石墨烯、二硫化鉬、氮化硼、PET等，這些報導揭示了納米限域範圍內自然界中特殊的物理化學現象。但是目前的多數材料需要在膜表面進行精確的制孔操作，製備過程繁瑣昂貴，對人員專業要求高，所以在一定程度上限制了固態納米孔的發展。而二維金屬有機骨架材料（2-D MOFs）是新興發展的片層材料，由於其本身具有多孔結構的特性，而且其種類繁多，很容易進行後修飾和孔徑的改變，具有著很好的研究前景。目前已經有MOFs應用到固態納米孔領域進行離子傳輸的研究，而在超薄二維MOFs納米片中尚未有突破。
近日，南京師範大學的古志遠教授課題組，採用本身具有多孔性的2-D MOFs作為固態納米孔，提出基於電泳的MOFs納米孔製備新方法，發現了MOFs納米孔內非線性離子傳輸現象，並通過改變親疏水性和孔徑進行機理研究，最後以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上製備納米孔作為基底，其次利用自下而上的方式直接合成了二維Zr-BTB-BA納米片，利用電泳方式構建MOFs納米孔的研究平臺。通過改變溶液的酸鹼性，發現了在不同的酸鹼條件下，納米孔內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，導致了小電壓範圍內電流-電壓（I-V）曲線平臺的出現，且存在小幅度的離子整流；而在鹼性條件下材料的電荷作用為主，電性發生改變，同時導致了離子整流的反轉和增強。對比不同調劑合成的二維Zr-BTB-FA、Zr-BTB-PABA納米片的親疏水性，進一步驗證了I-V曲線上平臺的出現是納米孔的疏水作用所引起，而電荷作用導致整流現象的發生。最後利用COMSOL模擬進一步研究了納米孔內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，從而導致離子整流現象的發生。超薄MOFs納米片非線性離子傳輸研究不僅對於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用中有著不可替代的作用。
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，南京師範大學為唯一通訊單位，古志遠教授為通訊作者。
來源：南京師範大學
論文連結
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202004854
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