短单极纳米孔中离子电流整流效应的调控机制与应用前景

《Journal of Colloid and Interface Science》：Modulation of ionic current rectification in short unipolar nanopores

本文系统研究了短单极纳米孔中表面电荷分布对离子电流整流（ICR）的调控机制，发现当带电区域比例约为0.3时，100 nm长纳米孔可产生最高~25倍的ICR效应。研究揭示了外部带电表面通过促进反离子传输增强ICR的规律，为设计高性能纳米流体传感器、离子电路及渗透能转换装置提供了理论依据。

　　

Highlight

通过系统研究内孔壁带电长度比例对离子传输的调控作用，我们发现离子电流整流（ICR）的最大程度及其对应的带电长度比例受纳米孔参数和模拟条件的影响。对于100 nm长的单极纳米孔，当带电长度比例约为0.3时，由于在反向偏压下纳米孔内出现最显著的离子富集和耗竭现象，此时ICR程度达到最高。这一特征性的0.3带电比例在大多数研究案例中均保持一致。对于短单极纳米孔，外部表面电荷的存在通过促进离子穿越纳米孔的传输，显著提升了ICR程度。外表面超出纳米孔边界的带电区域有效宽度与孔径、表面电荷密度和外加电压成正比，与孔长和盐浓度成反比。

Results and discussion

我们的模拟聚焦于长度100 nm、直径10 nm的短纳米孔，这类结构可通过微纳加工技术在薄氮化硅（SiN）膜上实现。通过改变内孔壁的带电长度比例（图2），我们构建了一系列单极纳米孔模型。在纳米流体实验中，此类表面电荷分布可通过化学修饰实现。研究结果表明，带电比例的调控能有效改变纳米孔内的离子传输行为，进而产生不同的ICR性能。

Conclusions

在单极纳米孔中，内壁表面电荷的非对称分布诱导了显著的ICR效应。内壁带电比例通过调控离子在孔内的富集和耗竭程度，实现了不同的ICR性能。对于长100 nm、直径10 nm的纳米孔，当带电比例约为0.3时，ICR程度达到最大值~25。进一步研究发现，使ICR最大化的带电比例受纳米孔尺寸、表面电荷密度、盐浓度和电压等多种参数影响，但0.3这一特征比例在多数条件下保持稳定。外部带电表面通过为反离子提供电双层（EDL）区域内的快速传输通道，进一步增强了ICR程度。外部带电区域的有效宽度与孔径、电荷密度和电压呈正相关，与孔长和盐浓度呈负相关，且与盐类型无关。这些发现为设计具有可控ICR性能的单极纳米孔及多孔膜提供了重要指导。