Smarte gating nanokanaler til begrænset vand udviklet

Begrænset vand findes bredt og spiller vigtige roller i naturlige miljøer, især inden for biologiske nanokanaler. Professor Lei Jiang og hans gruppe fra State Key Laboratory of Organic Solids, Institut for Kemi, det kinesiske videnskabsakademi, satte sig for at studere denne forenede bioniske grænse. Efter flere års innovativ forskning, de udviklede en række biomimetiske nanokanaler, leveret en strategi for design og konstruktion af smarte nanokanaler og anvendte nanokanalerne i energiomdannelsessystemer. Forfatteren mente, at den indre overfladeegenskab var grundlaget for begrænset transport. Deres arbejde, med titlen "Konstruktion af biomimetiske smarte nanokanaler til begrænset vand", blev udgivet i National Science Review .

Naturen har altid i høj grad inspireret teknologi, teknik og væsentlige opfindelser. Gennem fire milliarder års udvikling, den naturlige verden udviser alle mål for perfekt design og intelligens. For eksempel, lotus kan realisere den selvrensende effekt ved hjælp af sin mikro/nano-kompositstruktur. Vandstriderne kan gå let og frit på vandoverfladen via den specielle mikro- og nanostruktur på deres ben. Tilsvarende der er talrige funktionelle enheder, der kan interagere med vandmolekyler i organismer. De proteinbaserede ionkanaler er de gode eksempler på disse funktionelle enheder, som spiller vigtige roller i mange fysiologiske processer, såsom cellulær signaloverførsel, energiomdannelse, potentiel justering, stofudveksling og systemisk funktionsjustering. Et bemærkelsesværdigt eksempel er den elektriske ål, som er i stand til at generere potentialer på ~ 600 V til at bedøve byttedyr og afværge rovdyr med stærkt selektive ionkanaler og pumper på dets cellemembran. Derfor, at lære af naturen kan hjælpe os med at udvikle smarte materialer og systemer.

Bio-inspireret fra naturen, Jiangs gruppe har opnået store forskningsresultater inden for vandrelaterede videnskaber, herunder todimensionelle grænseflader med befugtning, befugtning og superfugtende egenskaber. På baggrund af dette arbejde, Jiang og kolleger overførte deres forskningsinteresse til ikke-vandige systemer, hvor de fokuserede på oliebefugtningsegenskaben. Fra dette udviklede de selvrensende overflader under vand med inspiration fra fiskeskind. For nylig, Jiangs gruppe fokuserede på det begrænsede vand i endimensionelle nanostrukturmaterialer. Undersøgelsen undersøgte det indelukkede vand på de ydre overflader af endimensionelle nanostrukturerede materialer, herunder edderkoppesilke og kaktustorn, som kan bruges til at opsamle vand i luften. De undersøgte også indesluttet vand, der eksisterede i nanokanal, som omfattede konstruktion og anvendelse af bioinspirerede nanokanaler. I denne anmeldelse, Prof. Jiang udvidede det begrænsede vand, der findes i endimensionelle mikro/nano-sammensatte strukturer i detaljer, især inden for biologiske nanokanaler. Ved at bruge disse nanokanaler som inspiration, de leverede en strategi for design og konstruktion af biomimetiske smarte nanokanaler. Vigtigere, de har anvendt de abiotiske analoger til energiomdannelsessystemer.

Det begrænsede vand, det er vand indespærret i mikro- eller mesoporer, spiller ikke kun en vigtig rolle for at opretholde eksistensen og udviklingen af ​​levende organismer, men vedrører også den bæredygtige udvikling af det menneskelige samfund. Forskningsresultater af bioinspireret edderkoppesilke og kaktustorn viste, at den begrænsede vandopsamling på disse endimensionelle nanostrukturer var nyttig til at løse manglen på ferskvandsressourcer. I mellemtiden biologiske ionkanaler spillede nøgleroller for højeffektiv energiomdannelse i organismer på grund af dens nanoskalaeffekt og ionselektivitet. Denne perfekte forening sørger for, at materialet og informationen overføres effektivt med organismens yderside, som sikrer sin energiomsætningseffektivitet langt ud over den traditionelle manuelle energienhed. Derfor, inspireret af levende systemer, meget indsats er blevet rettet mod at bygge den funktionelle enhed med nanometer flertrins, flere skalaer, asymmetrisk struktur, og så videre, hvilket i høj grad kan forbedre konverteringseffektiviteten og hjælpe os med at løse den globale energimangel (som vist i figuren).