师从冯新亮/江雷院士！中科大张振教授团队最新ACS Nano封面！

导读

今天带来的是中国科学技术大学张振教授课题组近日发表在

ACS Nano

一、摘要

受生物离子通道启发，纳米流体膜因能实现高效离子传输以模仿生命体精确输运功能获广泛关注；通过可调理化性质的超浸润纳米材料限域组装，这类仿生系统展现出优异离子传输性能与结构稳定性，成为多领域有力候选。本篇综述概述仿生纳米流体膜最新发展，围绕分子、零维（0D）、一维（1D）、二维（2D）纳米材料的维度特征展开讨论，提出合理构建该膜的通用设计框架（重点整合材料选择、组装过程与功能调节以优化离子传输性能），随后介绍其关键应用（尤其渗透能转换、光电转换与人工突触），最后展望发展挑战与前景，旨在为超浸润纳米材料限域组装构建高性能仿生纳米流体膜提供广泛知识基础。

二、引言

自然界生物系统经长期进化形成卓越功能结构、优异机械性能与高效信息传输，通过生物分子和纳米结构的限域组装实现低能耗、高效率特征；研究其超浸润系统（尤其细胞膜离子纳米通道与离子泵），为模仿其微 / 纳观结构、化学成分及组装策略提供灵感，推动仿生纳米流体膜发展并在能量转换、光电转换、智能传感、离子分离与纳米流体器件等关键领域取得突破，本文将聚焦跨分子、0D、1D、2D 多维度超浸润纳米材料的限域组装，介绍纳米流体膜的最新发展。

图1. 本综述主要主题示意图：用于纳米流体膜/应用的超浸润纳米材料的限域组装。

三、构建策略

（一）分子组装

分子自组装为构建超薄纳米流体膜提供了一种有效方法，可以精确控制孔径、表面功能化和孔密度。常用的技术包括溶剂蒸发诱导相分离、液-气界面合成和表面活性剂辅助合成。

图2. 分子组装的构建策略。 (a) 利用溶剂蒸发诱导相分离制备纳米多孔膜的示意图。该方法包括旋涂聚苯乙烯磺酸钠（PSS）牺牲层，涂覆嵌段共聚物溶液，利用溶剂蒸发和紫外交联形成膜，最后去除牺牲层。(b) 通过液-气界面合成组装两亲性吡啶基单体的示意图。该方法利用疏水相互作用引导两亲性单体自组装成有序单层，然后通过界面缩聚形成结晶薄膜。(c) 通过表面活性剂单层辅助界面合成组装苯胺的示意图。该方法利用表面活性剂的亲水头和疏水尾基团调控单体预组织，从而通过界面聚合合成聚苯胺晶体。

（二）0D纳米粒子组装

0D纳米材料，如胶体粒子，可通过自组装策略构建有序且可调的超结构。基于纳米粒子的成膜策略利用界面张力或流体动力使纳米粒子有序聚集，在粒子之间形成界定的间隙作为离子通道。

图3. 0D纳米粒子组装的构建策略。(a) 金纳米粒子（Au NPs）液-液界面组装的示意图。该策略利用Au NPs表面的两亲性L-Phe配体驱动相邻纳米粒子的空间有序排列，形成手性超结构膜。(b) 毛细作用力辅助的原位纳米粒子组装示意图。在微流控通道内，毛细作用力通过原位组装构建离子选择性纳米通道膜。(c) 用于反向纳米粒子组装的牺牲模板法示意图。纳米粒子组装体作为模板，随后通过化学蚀刻生成反向纳米通道膜结构。

（三）1D纳米材料组装

1D纳米材料，包括聚合物纳米纤维和无机纳米管/纳米线，因其高比表面积、可调直径和机械强度而被广泛用于制造纳米流体膜。离子可以通过1D纳米纤维之间的间隙或1D纳米管内部的孔道进行传输。

图4. 1D纳米材料组装的构建策略。(a) 静电纺丝诱导的纳米纤维组装示意图。利用高压电场引导纳米纤维沉积成纳米通道膜结构。(b) TiO₂/C₃N₄异质结构纳米管气相自组装示意图。1D纳米材料前驱体在气相中重新分布，并通过高温反应组装成纳米通道膜。(c) CMWs阵列的顺序超组装示意图。采用软模板水热合成法，通过顺序聚电解质反应将纳米线整合成阵列膜结构。

（四）2D纳米片组装

石墨烯、过渡金属二硫化物和MXenes等高性能2D纳米片，因其原子级薄的几何形状、高纵横比和可调的表面化学性质，成为构建纳米流体膜的理想构筑单元。通过控制纳米片的空间取向和堆叠，可以形成仿生的层状结构。

图5. 2D纳米片组装的构建策略。(a) 剪切流诱导的纳米片排列示意图。在高粘度体系（如液晶）中，定向剪切力驱动微/纳尺度片的有序组装，形成纳米通道膜。(b) 超铺展诱导的纳米片排列示意图。液体超铺展过程中产生的面内剪切力驱动纳米片在界面处高度定向组装，形成纳米通道膜。(c) 纳米片的逐层自组装示意图。通过静电相互作用交替沉积带相反电荷的纳米片，构建自组装纳米通道膜。(d) 电泳诱导的纳米片组装示意图。带电纳米片在电场作用下向带相反电荷的电极迁移并沉积，形成纳米通道膜结构。

四、应用

（一）渗透能转换

渗透能来源于盐度梯度界面，是一种极具潜力的可再生能源。通过受控的组装策略构建具有精确工程化仿生离子通道的纳米流体膜，能够定向调控离子传输动力学，提高离子选择性和渗透通量，为高效的渗透能转换提供了有效的解决方案。

图6. 渗透能转换应用。(a) 由UiO-66-NH₂纳米粒子组装的纳米通道膜用于基于阴离子交换膜的反向电渗析的示意图及功率输出曲线。(b) 由丝素纳米纤维组装的纳米通道膜用于基于阳离子交换膜的反向电渗析的示意图及电化学性能曲线。(c) GO/IL纳米流体膜的示意图及输出曲线，突出离子液体介导的在受限纳米通道中的传输以增强渗透能转换。

（二）光电转换

光控智能纳米流体系统作为一种仿生离子传输平台，通过光诱导的表面电荷分布、局部热场梯度、纳米通道构型和界面润湿性的调控，实现了非接触、高时空分辨率的主动离子传输。

图7. 光电转换应用。(a) Au NPs组装的纳米通道膜用于纳米流体离子光电转换的示意图及光响应曲线。(b) 基于碳纳米管（CNTs）的纳米通道用于光驱动离子泵，以及由不同方向、不同功率密度的光产生的交流电示意图。(c) 石墨二炔氧化物组装的纳米通道膜用于光辅助渗透能转换的示意图及光强度依赖的光电流曲线。

（三）人工突触

受生物神经系统低功耗和高并行计算能力的启发，基于纳米尺度限域组装的纳米流体器件为突破电子器件的物理极限提供了一种仿生解决方案。通过复制短期/长期可塑性、赫布学习规则和脉冲编码功能等关键突触特征，这些器件推动了信息处理范式向存算一体的神经形态系统发展。

图8. 人工突触应用。(a) 由带电硅纳米粒子组装的纳米流体系统用于纳米流体离子忆阻器的示意图，以及基于硬件非线性特性和算法协同优化的高效计算范式。(b) 用于离子调控的硬件结构示意图，由PVDF纳米纤维膜组装的纳米流体膜构成，应用于复杂的计算任务。(c) 基于MoS₂纳米片组装的纳米流体器件中动态离子调控的硬件-算法协同设计计算架构示意图。

五、未来展望

未来研究方向与改进有：

1. 借助 COF、沸石纳米粒子、MXene 等新兴纳米材料及多尺度异质组装，构建孔径、表面电荷密度可控的限域输运通道；

2. 结合表面改性与多尺度组装，研究离子传输微观机理（如氢键网络作用、外部场响应）；

3. 推动渗透能与电催化、光伏结合的混合能量转换技术；

4. 发展用于脑机接口、神经形态计算的纳米流体电路。

总之，超浸润纳米材料限域组装为定制离子传输纳米流体膜提供变革性方法，材料设计、组装控制与功能集成的持续创新将推动其从概念转向实用技术。

图9. 仿生纳米流体膜的挑战与展望。(a) 基于分子、0D、1D和2D纳米材料的新兴纳米流体膜材料。(b) 基于仿生纳米流体膜的离子传输机制。(c) 基于纳米流体系统的混合能量转换技术。(d) 未来的纳米流体电路。

六、文章创新点

1. 首次基于构筑单元维度（分子、0D、1D、2D）系统总结分类仿生纳米流体膜构建策略，为高性能膜材料理性设计提供清晰框架；

2. 突出纳米材料 “超浸润性” 在限域组装中的关键作用，可精确调控纳米通道形成、界面性质及离子传输行为；

3. 综述其在渗透能转换、光电转换、人工突触三大前沿领域应用，深入探讨组装策略 - 膜结构 - 功能性能的构效关系；

4. 剖析领域挑战与机遇，提出含新材料开发、微观机理探索等的未来研究路线图。

七、作者简介

张振，中国科学技术大学特任教授（独立PI），国家高层次青年人才（海外），中国科学院百人计划B入选者（择优），全球前2%顶尖科学家（2021-2025），德国“洪堡”学者，姑苏领军人才。2013年6月本科毕业于吉林大学化学学院，2018年6月博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：江雷院士），随后受德国洪堡基金会的资助，先后在德累斯顿工业大学和马克斯普朗克微结构物理研究所从事博士后研究，2021年8月起任课题组长（合作导师：冯新亮教授，德国工程院院士，欧洲科学院院士），2022年6月加入中国科学技术大学苏州高等研究院/化学与材料科学学院。主要研究方向为仿生微纳孔材料及其能源传感应用，在国际综合和专业期刊发表SCI论文60余篇，其中第一作者或通讯作者论文 30余篇，包括

Nat. Rev. Mater

Nat. Synth.

Nat. Commun.

PNAS

Sci. Adv.

Chem. Soc. Rev.

J. Am. Chem. Soc.

Adv. Mater.

Angew. Chem. Int. Ed.