自然界生物體中離子通道的離子和分子定向輸運對于生物系統(tǒng)起著信號傳導(dǎo)、能量轉(zhuǎn)移等作用。受生物體中離子通道的啟發(fā),研究者們利用各種材料制備了多種人工納米孔道,如高分子膜離子徑跡納米孔、生物蛋白分子納米孔、無機材料微納加工納米孔等。這些納米孔道的材料性質(zhì)、表面屬性和形狀結(jié)構(gòu)與其特異性緊密相關(guān),在能量轉(zhuǎn)換、響應(yīng)性納米開關(guān)、DNA檢測和離子、分子的篩選方面顯示出了優(yōu)異的性能,部分研究已經(jīng)初步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化�；陔x子輻照潛徑跡蝕刻技術(shù)制備的高分子膜微納孔道已經(jīng)在離子整流、過濾和響應(yīng)性開關(guān)等研究中展現(xiàn)出精確可控、易于修飾的優(yōu)勢。但是多價態(tài)離子在納米孔道中的傳輸行為研究深度不足,一些新的整流現(xiàn)象機理還不清楚,同時基于磁場響應(yīng)的非接觸式可控納米孔道鮮有報道。本論文利用高能微束裝置單離子輻照和徑跡蝕刻成功制備了單錐形PET納米孔道,深入研究了納米孔道的多價態(tài)離子傳輸行為和調(diào)控機理,制備了一種快速響應(yīng)的磁控納米孔道。通過電化學(xué)實驗測量和有限元多物理場仿真系統(tǒng)地研究了PET單錐形納米孔道內(nèi)的離子輸運。研究發(fā)現(xiàn)高濃度金屬離子可影響PET納米孔道表面電荷密度,二價和三價陽離子（Mg2+、Cr3+和Fe3+）通過物理... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院近代物理研究所)甘肅省

【文章頁數(shù)】：91 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

基于離子束蝕刻技術(shù)制備的納米孔道示意圖，裝置的上層是一種透明的玻璃薄片，下層是單晶硅[9]

第1章緒論7圖1.6基于分子動力學(xué)模擬的MoS2納米孔道模型，MoS2納米孔道利用孔道的離子選擇性可以將將鹽差能轉(zhuǎn)化為電能[17]。Figure1.6AMoS2nanochannelbasedonmolecular-dynamicssimulations.WiththeionselectivityofMoS2nanochannels,salinityenergycanbeconvertedtoelectricenergy[17].除了鹽差能之外太陽能也是可再生并且儲量極大的清潔能源之一。相比于其他清潔能源，太陽能所受的地域限制較小，能源體量巨大，因此對太陽能的利用和轉(zhuǎn)化是一個經(jīng)久不衰的方向和課題。為了將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在2010年聞利平等人[19]受到生物系統(tǒng)中質(zhì)子泵的啟發(fā)設(shè)計了一個可以轉(zhuǎn)化光能的循環(huán)離子流系統(tǒng)。如圖1.7所示，溶液中的HA分子（8-羥基芘-1,3,6-三磺酸三鈉鹽）在紫外光的作用下可以分解成離子狀態(tài)從而在光照區(qū)域源源不斷地提供氫離子。修飾C4-DNA的納米孔道具有氫離子選擇性，氫離子通過濃度差的擴散作用可以穿過系統(tǒng)底部，并且最終在無光區(qū)域與A-離子重新結(jié)合成HA分子從而形成氫離子流的內(nèi)部循環(huán)成功將光能轉(zhuǎn)化為電能。這是有一個非常大膽和具有想象力的實驗設(shè)計，可以為之后的光電轉(zhuǎn)換提供寶貴的思路，但是目前通過這種方式形成的光電轉(zhuǎn)換能力非常有限，光電轉(zhuǎn)換效率比較低。這種研究以及類似的系統(tǒng)可以為解決某些戶外設(shè)備的能源問題提供一種新的思路。從小于100℃的熱源中提取能量是一種特別困難的事，因為以現(xiàn)有技術(shù)從低溫?zé)嵩粗蝎@取能量是一件比較困難的事情。在2016年，Straub等人成功利用疏水性聚四氟乙烯（PTFE）薄膜制備的納米孔道從低能熱源中提取出熱能，并將它們最終轉(zhuǎn)化為機械能[20]。他們設(shè)計的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)可以將熱滲蒸汽由熱儲層輸運到冷儲層從而產(chǎn)生壓力完成熱能的提取和轉(zhuǎn)換。聚四氟乙烯薄膜制備的納米孔道可以在13bar的

第1章緒論13負時，納米孔道的電流值反而比較校出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是氫離子在一定的濃度下可以與PET納米孔道內(nèi)表面的羧基結(jié)合，從而形成羧基的質(zhì)子化使納米孔道的內(nèi)表面帶正電。受到各種現(xiàn)實實驗條件和成本的限制，想要在實際實驗中獲得納米孔道內(nèi)的一些物理量的具體分布情況是非常困難的，相比之下采用模擬的方式則更為方便快捷。對于納米孔道的模擬，通常都是采用PNP（Poisson–Nernst–Planck）公式來建立納米孔道模型，圖1.10中是Cheng等人[42]建立的納米孔道模型，分別為表面帶負電的錐形納米孔道、存在一定濃度并且表面帶負電的柱形納米孔道以及左右兩側(cè)表面分別帶有負電荷和正電荷的柱形納米孔道。這種模擬方法可以更直觀的觀測到電場大小和方向不同時納米孔道內(nèi)離子濃度的變化。模擬結(jié)果表明電場方向和大小不同時納米孔道內(nèi)的離子濃度差異較大，納米孔道的電阻值也會隨著電場的變化而變化，從而造成電場方向不同時電流值的大小出現(xiàn)差異。圖1.10利用COMSOL軟件模擬不同孔型納米孔道內(nèi)離子濃度的分布隨電場的變化[42]。Figure1.10COMSOLsimulationoftheionconcentrationdistributioninthedifferent


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