【Angew】复旦大学孔彪团队:具有光-电耦合敏感性的超组装层状导电异质通道用于智能离子传输-上海善施科技

仿生离子通道：从自然灵感到智能纳米流体技术的跨越

在生物体系中，离子通道扮演着至关重要的角色，它们不仅负责离子的选择性传输，还能在外部刺激（如电压、温度、光等）下实现智能调控。例如，藻类和哺乳动物细胞中的通道蛋白（如 Channelrhodopsin-2）能够将光信号转化为电信号，从而实现神经信号的智能调控。这种生物启发的设计理念，为人工纳米通道的发展提供了新的思路，科学家们意识到，如果能将这种自然界的智慧引入到纳米流体器件中，或许可以解锁更多可能性。于是，他们开始探索新的材料和结构设计，试图让纳米流体通道也能像生物离子通道一样“聪明”。

光驱动纳米流体通道：机遇与挑战

光作为一种非接触式的外部能量源，能够通过强度、方向和照射面积实现远程调控，为外部刺激的应用场景提供了极大的灵活性。因此，基于光电效应的光驱动人工纳米通道，因其无创的外场控制和可调节的离子电流响应特性，在信号传输和能量转换领域受到广泛关注。在光驱动离子传输过程中，其表面电荷的增强往往会受到光生载流子的复合的限制。为了解决这个难题，研究者们通过传统的p-n结构建策略来增强载流子分离效率，然而这种结构设计策略面临着现有半导体材料能带结构的限制，使得有效的光生载流子分离仍然存在挑战。

基于以上研究现状及面临的挑战，孔彪课题组通过超组装策略构建了具有定制通道尺寸梯度和光-电耦合敏感性的功能层状导电纳米通道PyGO。该设计促进了PyGO固有导电层状通道的形成和光生载流子的有效分离，从而大幅提升了离子传输的选择性，让智能离子传输的性能跃上新台阶。在盐度梯度为0.5/0.01 M NaCl的条件下，PyGO异质通道的导电性和光敏性的耦合作用使其发电功率密度高达14.1 W m^-2，比黑暗条件下提高了35.6%。此外，研究人员拓展了PyGO异质纳米通道在实时监测营养液中离子浓度的应用，为智能农业灌溉系统铺平了道路。这项工作提出了一种新颖的、高效的光驱动离子传输策略，使智能离子传输的多场景实现成为可能。

图1：PyGO异质通道的合成示意图（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

研究人员采用超组装策略，利用吡咯单体在氧化石墨烯纳米片上的原位化学氧化聚合得到了一种非对称的PyGO异质纳米通道膜，有望为离子传输提供丰富的导电通道，从而实现优异的离子传输。

图2. PyGO异质纳米通道的结构表征（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

制备得到的PyGO异质纳米通道膜具有规整的2D层状纳米通道，由于聚吡咯（PPy）颗粒在膜两侧的不均匀分布，这种“非对称性”不仅赋予PyGO在通道尺寸和润湿性上展现出与众不同的特性，还在离子传输过程中表现出了优异的智能调控能力。

图3. PyGO异质纳米通道的光响应性能（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

PyGO异质膜巧妙地结合了聚吡咯（PPy）和氧化石墨烯（GO）的光响应性能，大幅提升了光能转化的效率。由于PyGO异质通道的导电性和光敏性，光响应电流高达142 nA，并且具有稳定的光门控特性。此外，其光响应电流还可以通过改变PPy的含量进行可控调节，测试过程中具有良好的稳定性和可重复性。

图4. PyGO异质纳米通道的光电耦合敏感性作用机制（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

GO和PPy都能捕捉光子并发生电荷分离。导电聚合物PPy本身就像一条“高速导电轨道”，而GO与PPy之间的π-π堆叠相互作用更是为光生电子铺就了一条“VIP通道”。这种巧妙的配合提升了光生载流子的分离效率，进一步增强了异质通道表面的负电荷密度。研究人员通过理论模拟结果进一步证实了导电性和光敏性这对“黄金搭档”对离子传输效率的提升具有协同作用，让整个光驱动离子传输过程更加高效！

本研究通过超组装策略成功开发了具有光-电耦合敏感性的PyGO异质通道膜，不仅在盐差能转换中展现出卓越的性能，还为农业智能灌溉系统提供了新的技术思路，有望在能源转换、生物传感和智能农业等多个领域实现更广泛的应用。

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