四川大学褚良银教授团队与天津大学周凯歌教授团队《Adv. Membr.》综述：具有响应型二维纳米通道的先进膜材料
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封底文章
Volume1
2021
导
读
自然界中，细胞膜的刺激响应型跨膜通道可以根据环境信号自主调节其渗透与选择性能。水分子和离子的调控传输对细胞间神经信号的传输、细胞内的物质生成、消解与回收等生物过程是必不可少的。由纳米片层堆叠组装成的二维通道尺寸与生物细胞膜中的离子通道尺寸相当。因此，可逆改变二维通道区域内的物化性质可有效调控通道内的物质传递过程，响应型二维纳米膜将有望应用于水处理、分子分离、能源回收等领域。四川大学褚良银教授团队与天津大学周凯歌教授团队在Advanced Membranes期刊联合发表了题为“Advanced membranes with responsive two-dimensional nanochannels”的综述论文，重点介绍了具有响应型二维纳米通道的功能膜最新研究进展，包括具有响应型二维纳米通道的功能膜的设计策略、二维通道的响应特性与物质传输调控性能、具有响应型二维纳米通道的功能膜的潜在应用、以及所面临的挑战和发展方向。
图
文
详
解
1. 背景介绍
细胞膜上的离子通道可以即时感知细胞内外信号，电势差或者信号分子会活化生物膜上的离子通道，使得膜上离子通道可以从“关闭”状态可逆地转化为“打开”状态，实现高选择性的、可调控的物质运输。2003年，Peter Agre和 Roderick Mackinnon因发现了水通道和解释了电压门控钾通道离子选择性原理而共同获得了诺贝尔化学奖。依靠细胞膜上的多种能感知外界刺激的分子受体，传输细胞内外的K+/Na+选择性高达104。受生物膜上离子通道的启发，构建响应型智能膜材料可以提升膜性能、拓展膜的应用领域。基于二维材料的发展、且由于二维膜的空间传质尺寸与细胞膜的离子通道尺寸解决，近年来，对于具有响应型纳米通道的二维膜研究方兴未艾。本文综述了该领域的研究进展。
2. 设计策略
本文从两部分介绍响应型二维通道的设计策略，一是具有响应性的纳米片层组装构建的二维通道，可以通过改变片层的间距、或者片层的相态、或者片层表面的电荷作用来实现分子可控传递（图1）。另外一种是将模拟细胞膜上能感知外界刺激的分子受体的响应型合成高分子通过物理或者化学手段固定在纳米片层间，实现响应型二维通道的构建（图2）。
图1. 具有响应性的纳米片层组装构建的二维通道
图2. 响应型高分子与纳米片层构建的二维通道
3. 二维膜的响应性
本文重点介绍了温度响应型、pH响应型、电场响应型和光响应型的二维通道膜。将温敏分子或高分子，例如聚N-异丙基丙烯酰胺、聚N-乙烯基己内酰胺或四臂季铵盐分子等，通过化学/物理方法固定到二维片层表面，构建的二维膜具有温度响应型纳米通道。
通过用聚胺(PA)类大分子和氧化石墨烯(GO)纳米片，可制备具有 pH响应型纳米通道二维膜。GO-PA膜的渗透性可以根据环境的pH变化而不同，这归结为通道内外在不同pH下产生的渗透压不同，如图3所示。
基于一些二维纳米片的导电性，可以组装形成富含表面电荷的二维纳米通道。外部施加的电压或电流可以很容易地穿过整个膜，并在二维纳米通道内诱导水分子和离子的受控传输，如图4所示。电场响应型二维通道膜有望成为基于膜的水净化及能源回收问题的最有前途的解决方案之一。
此外，基于有机金属框架材料(MOF)、有机共价框架(COF)、GO或Mxene二维片层的光电、光热或光致构象变化效应，可以构建光响应型二维纳米通道。
图4. 电场响应型二维通道膜
4. 潜在应用
由于对通道内分子和离子的传输调控，本文介绍了响应性型二维纳米通道膜在水处理、分子分离和能量收集方面的有前景的应用。
5. 未来展望
目前，响应型二维通道膜所面临的挑战和发展方向包含如下一些方面：
（1） 新型刺激响应型二维通道膜的开发，例如磁场响应型、ATP分子响应型等；
（2） 响应型二维通道内的分子快速可控传递机理仍然认识不足；
（3） 响应型二维通道膜的稳定性与工业放大；
（4） 应用导向的响应型二维通道膜材料与膜过程的开发
6. 文章信息本文以“Advanced membranes with responsive two-dimensionalnanochannels”为题发表在Advanced Membranes期刊，共同一作为四川大学刘壮教授和天津大学硕士生翟烨铭，通讯作者为四川大学褚良银教授。该工作得到国家自然科学基金项目（22022810, 21490582）的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2021.100012 (点击阅读原文查看原文)引用格式：Z. Liu, Y. M. Zhai, K. G. Zhou, L. Y. Chu, Advanced membranes with responsive two-dimensional nanochannels. Advanced Membranes 1 (2021) 100012.作
者
简
介
第一作者
刘壮（教授）
刘壮，教授/博导。87年1月出生。四川大学本硕博，英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所访问学者（2019-2020）。2017年获得第九届“侯德榜化工科技青年奖”，2018年入选第四届中国科协青年人才托举工程和四川省学术带头人后备人选，2019年入选四川大学“双百人才工程”，2020年获得国家优青基金项目资助。主要从事离子识别膜与离子分离膜、二维膜与纳流控、智能软湿材料和智能膜组件的研究。在Chemical Society Reviews、Advanced Functional Materials、Small等学术期刊上发表一作及通讯作者论文40篇；封面、封底及扉页导读论文5篇，入选“高被引论文”1篇，申请发明专利20项，已授权12项，已转化2项；受邀参编英文专著2部、参编《膜技术手册》1章。受邀担任Adv. Mem.、Chin.Chem. Lett.、ChineseJ Chem Eng、《膜科学与技术》杂志青年编委。
共同第一作者翟烨铭（硕士生）
翟烨铭，天津大学分子+研究院硕士研究生，导师为周凯歌教授。研究兴趣为二维限域通道内的传质与反应动力学。共同作者周凯歌（教授）
周凯歌，天津大学教授，国家级青年项目入选者，英国皇家学会牛顿学者。于2007年与2012年分别获得兰州大学学士及理学博士学位（导师：张浩力教授）。2013年至2019年，加入曼彻斯特大学诺贝尔奖得主Geim和Novoselov教授领军的国家石墨烯研究中心开展二维薄膜方面的研究工作。2019年加入天津大学分子+研究院。其研究工作主要聚焦于研究二维薄膜中的物质传输和转化行为。设计和发展了多种具有电响应和光化学响应的二维智能薄膜，成功实现了物质在薄膜中的可控传输及转化，建立了理论研究方法和质量监控体系，为其在化工、环保及生物医药领域的应用奠定了基础。其在Nature, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano等重要期刊上发表25篇。先后获得牛顿奖学金(2013), 李政道奖学金 (2012) 及唐敖庆奖学金 (2011)。通讯作者
褚良银（教授）
褚良银，四川大学教授、博士生导师。毕业于成都科技大学和东北大学，博士学位；先后赴日本东京大学、美国哈佛大学、法国巴黎高等物理化工学院、英国伯明翰大学进行博士后和学术研究。长期从事膜材料与膜过程、传质与分离、微流控、先进功能材料、控制释放等方面的研究工作，获授权中国专利52项和国际专利15项，出版学术著作6部；部分成果已在国内外得到了成功应用与推广。作为第一完成人获国家技术发明奖二等奖1项、省部级科技进步奖一等奖3项，获侯德榜化工科技创新奖、何梁何利基金科学与技术创新奖。国家杰出青年科学基金获得者（2008），教育部长江学者特聘教授（2009），教育部创新团队带头人，英国皇家化学会会士，全球华人化工学者学会会士。期刊主页
http://www.keaipublishing.com/en/journals/advanced-membranes/
投稿系统
https://www.editorialmanager.com/advmem/default.aspx
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Membranes
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