仿生纳米通道的构筑及其在能量转换体系中的应用

• 作 者: 江雷
• 机 构: 中国科学院化学研究所,北京市海淀区中关村北一街2号
• 出 处: 国家自然科学基金委员会“可控自组装体系及其功能化”重大研究计划年度交流暨研讨会
• 发表日期: 2014年2期
• 关键词: 仿生纳米通道 自组装过程 人工孔道结构 能量转换效率

生命体系中的孔道结构是细胞与外界物质交换、功能调控、信号传递、电位调控、以及能量转换的基础,在能量转换与存储过程中具有重要地位.例如,感受器电位的发生,神经兴奋与传导和中枢神经系统的功能调控,心脏搏动,平滑肌蠕动,骨骼肌收缩,激素分泌,光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等都是生命体系高效能量转换本领的体现.将以离子通道为核心的能源转换机理应用于人工合成体系,利用外场调控下功能分子在固体纳米孔道界面的自组装过程,制备基于智能纳米孔道的仿生能源转换与存储材料和器件是研究的重点.根据仿生原理，将功能分子在孔道界面上进行组装，获得具有智能响应特性的人工孔道结构，模拟生命体系高效能量转换和存储的功能，制备原型器件用于清洁能源的开发和利用。例如，模仿视紫红质，将光生质子泵的化学小分子与固体纳米通道相结合，光照条件实现了光能向电能的转化;模拟电鳗鱼发电原理，将浓度差引入非对称的纳米孔膜，实现了化学能向电能的转变;在此基础上，将介孔炭与氧化铝相复合，实现了高整流比的非对称多孔膜的制备，盐差发电结果表明，该膜在单位面积上的能源转换效率远远高于商业化膜，相关的理论计算结果为器件的设计、制备提供理论依据。受生物体内离子泵启发，首次制备了基于雪茄形纳米孔的仿生离子泵，为新型能源转换器件的制备提供必备的物质基础。此外，将石墨烯应用于新型能源转换体系的设计为未来便携能源转换器件的开发提供研究新思路。