 近年來，納米孔，尤其是碳納米孔的研究，獲得了多方面的關(guān)注。在受限的納米空間內(nèi)，物質(zhì)輸運具有許多獨特的與宏觀迥然不同的性質(zhì)，有望在水凈化、離子富集、生物傳感、疾病治療等方面實現(xiàn)突破。有機大環(huán)分子通過自組裝可形成精確的納米結(jié)構(gòu)，在孔徑大小、均一性以及可修飾性等方面都展現(xiàn)了其特有的優(yōu)勢，是極具應(yīng)用前景的新型納米材料。上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院邵志峰研究團隊與紐約州立大學(xué)的龔兵教授以及北京師范大學(xué)的科學(xué)家合作，最近在人工合成有機納米孔領(lǐng)域取得了重要進展。
該合作團隊成功合成了含有6個苯環(huán)單元的大環(huán)分子，并通過原子力顯微鏡等表征手段，發(fā)現(xiàn)這些類似甜甜圈形狀的剛性大環(huán)分子在氫鍵的作用下有序自發(fā)堆積，形成精準(zhǔn)、規(guī)則的，孔徑小于1納米的納米管（見圖）。更為重要的是，這些大環(huán)分子可以直接插入磷脂雙層膜中自主形成結(jié)構(gòu)類似的納米孔。熒光淬滅以及單通道電生理實驗顯示這些人工納米孔具有類似于細(xì)胞離子通道的活性，可以高效傳輸鉀、氫等離子。不同于常見的碳納米管，有機大環(huán)分子允許在特定的位點進行化學(xué)修飾。利用這一特點，該團隊通過分子設(shè)計，在剛性大環(huán)分子的內(nèi)腔修飾了不同的分子基團，并通過這些基團的不同性質(zhì)而調(diào)控這些納米孔的分子輸運特性。他們的研究發(fā)現(xiàn)，在大環(huán)分子內(nèi)部修飾一個氨基或甲基基團后，雖然仍可通過自組裝形成外徑尺寸相同的納米孔，但所形成的納米孔的離子傳輸性質(zhì)發(fā)生了巨大變化。與通常的預(yù)計相反，這些內(nèi)孔較小的結(jié)構(gòu)對氫離子的導(dǎo)通效率影響很大，反而對體積較大的陰離子（如氯離子）的傳輸性能卻有明顯提高。這表明，內(nèi)孔修飾的物理性質(zhì)對納米孔的離子選擇性有重要的作用，而空間限制則其次。這些結(jié)果證明，人們可以通過分子設(shè)計在這些大環(huán)分子的基礎(chǔ)上，通過準(zhǔn)確定位的化學(xué)修飾而實現(xiàn)所需要的傳輸特性。由于大環(huán)分子的尺度與形狀都具有一定的可設(shè)計性，而內(nèi)腔中可修飾的化學(xué)基團也具有廣泛的選擇性，因此，這些剛性大環(huán)分子為各種不同的應(yīng)用提供了廣泛的選擇，在規(guī)?；螅型麑崿F(xiàn)對特定分子的分離或檢測。其中，水凈化、貴金屬（如鋰）純化等方面的應(yīng)用前景巨大。該研究成果于近日在化學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Journal of the American Chemical Society》（IF: 12.1）上正式發(fā)表。
該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市科委、浦江人才計劃和王寬誠教育基金會的支持。沈軼助理研究員為文章共同第一作者，邵志峰教授為共同通訊作者。
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