分會

第五十四分會：仿生材料化學(xué)

摘要

師法自然，向生命體學(xué)習(xí)，自古以來就是人類各種科技思想、設(shè)計(jì)原理和發(fā)明創(chuàng)造的靈感源泉。細(xì)胞上的磷脂雙分子層（膜）具有獨(dú)特的功能，膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能輸運(yùn)特定分子，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的可控捕獲和傳輸；貝殼類生物的堅(jiān)硬外殼能夠阻擋外來沖擊保護(hù)生物本身不受傷害，其中典型的層狀堆砌的磚瓦結(jié)構(gòu)是具有優(yōu)異力學(xué)性能的關(guān)鍵。受此啟發(fā)，我們設(shè)計(jì)并開發(fā)一系列具有仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，使其具有特定的結(jié)構(gòu)或者功能，并將這種復(fù)合膜應(yīng)用于可控的離子傳輸以及鹽差能轉(zhuǎn)換方面（Fig.1）。 我們設(shè)計(jì)了一種類似于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的非對稱納米尺度的復(fù)合孔道。該體系由兩種經(jīng)過功能化的二維材料組成，形成一種兼具孔道、電荷分布、以及化學(xué)活性的非對稱功能通道。受納米限域中的尺寸以及電荷作用，該復(fù)合孔道實(shí)現(xiàn)了Li+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+的有序傳輸。另外，在外部電壓的刺激下，該孔道展現(xiàn)出鋰離子的特異性篩分，Li+/Na+以及Li+/K+的分離比達(dá)到了2.52和4.78，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵元素鋰的提取與回收。 在此基礎(chǔ)上，將天然蠶絲纖維與氧化石墨烯納米片作為原材料，通過自組裝方式形成貝殼結(jié)構(gòu)的三明治夾層膜。由于結(jié)構(gòu)單元間強(qiáng)的氫鍵作用，復(fù)合膜在韌性以及拉伸強(qiáng)度上超過天然殼類材料。引入的蠶絲纖維極大提升復(fù)合膜的表面帶電基團(tuán)，使其具備陽離子選擇性。結(jié)果表明，由于增強(qiáng)的表面電荷密度以及優(yōu)異的力學(xué)性能，復(fù)合膜實(shí)現(xiàn)高性能鹽差轉(zhuǎn)換能力，其功率密度達(dá)到5.07W/m2。

關(guān)鍵詞

仿生材料;選擇性離子傳輸;納米通道;能量轉(zhuǎn)換;離子篩分

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辛偉聞 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、劉天池 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、劉銘揚(yáng) 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、韓亞星 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所 共4人點(diǎn)贊了這篇線上墻報(bào)。