仿生Janus MXene膜实现双向离子选择性渗透增强渗透效应与离子电子学逻辑控制

针对传统膜材料离子传输方向单一、渗透效率低的问题，研究人员受氯离子电压门控通道ClC-5启发，开发了具有亚纳米通道（~6.0 ?）的仿生Janus NP-MXene膜。该膜通过EDTA修饰的阳离子选择性通道（N-MXene）和PDDA修饰的阴离子选择性通道（P-MXene）的协同作用，实现了Na+/Cl?的双向选择性传输，在50倍盐度梯度下获得181.5 mV的渗透电位和85.1 W m?2的功率密度，并成功构建了无需外部门电压的离子电子学晶体管，为高效能量-信息流转换提供了新策略。

　　

在生物系统中，渗透效应不仅支撑着神经信息传递和肌肉收缩等生理过程，还在能量转换中发挥核心作用。例如，线粒体中通过H⁺离子跨膜运输形成的质子梯度驱动ATP合成，将渗透能转化为化学能。然而，传统的人工膜材料通常只能实现单一方向的离子（阳离子或阴离子）传输，严重限制了其性能和应用范围。特别是在50倍盐度梯度下，传统膜产生的渗透电位被限制在约100 mV以内，难以满足高效能量收集和信息处理的需求。自然界的离子通道（如电压门控通道ClC-5）通过精确调控多种离子的双向传输，实现了高效的能量与信息耦合，这为设计新型人工离子通道提供了灵感。

近日，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究通过仿生策略，成功开发了一种具有双向离子选择性的Janus MXene膜（NP-MXene），突破了传统膜材料的性能瓶颈。该研究团队受ClC-5通道的启发，通过简单的溶液化学修饰方法，构建了由带负电的EDTA修饰MXene（N-MXene）和带正电的PDDA修饰MXene（P-MXene）组成的异质结构膜。其亚纳米通道（约6.0 ?）展现出卓越的结构稳定性和离子选择性，实现了钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^?）的可控协同传输。

研究团队通过分子动力学模拟、电化学测试和材料表征等技术手段系统评估了NP-MXene膜的离子传输特性。关键实验技术包括：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察膜层状结构和通道排列；X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）测量通道间距和纳米片厚度；Zeta电位和X射线光电子能谱（XPS）分析表面电荷和化学修饰效果；电化学工作站记录膜在盐度梯度下的电流-电压曲线，计算渗透电位和功率密度；分子动力学模拟研究离子在通道内的传输动力学和脱水能垒。

研究结果主要包括以下几个方面：

Fabrication and characterization of NP-MXene

通过蚀刻Ti₃AlC₂获得单层或少层Ti₃C₂T_x MXene纳米片，经EDTA和PDDA修饰后得到带相反电荷的N-MXene和P-MXene。NP-MXene膜呈现典型的层状结构，通道自由间距稳定在5–7 ?之间，即使在盐水环境中也能保持结构完整性。

Ion selectivity and permeability investigation

在KCl盐度梯度系统中，NP-MXene膜表现出表面电荷控制的离子传输行为。通过设计不对称电解质系统（如Na₂SO₄ | MgCl₂），该膜实现了对一价离子的高效选择性传输，Na⁺/Mg²⁺和Cl^?/SO₄^2?的选择性比分别达到110.34和91.45。

Modeling of ion diffusion in NP-MXene

分子模拟表明，一价离子（Na⁺, Cl^?）的通道进入时间和通过时间显著短于二价离子（Mg²⁺, SO₄^2?）。脱水能垒与离子水合能正相关，DFT计算显示EDTA与Mg²⁺的吸附能（-5.91 eV）远高于与Na⁺（-1.58 eV），证实了二价离子传输的高能垒。

Enhanced osmotic effects with scalable implementation

在50倍Na₂SO₄ | MgCl₂盐度梯度下，NP-MXene膜获得181.5 mV的渗透电位和85.1 W m^?2的功率密度，远超传统单选择性膜的理论极限。通过挤出印刷技术制备的大面积器件仍保持40.32 W m^?2的高功率输出，显示出良好的扩展性。

Iontronic logic control

基于NP-MXene通道的离子晶体管无需外部门电压，仅通过盐度梯度即可调控离子流，实现截止、线性和饱和三种状态。通过编程控制离子组成，产生高低电流信号，成功实现了机器人动作控制和ASCII编码信息传输，展示了其在人机接口中的潜力。

该研究通过仿生设计首次实现了人工膜的双向离子选择性传输，解决了传统膜材料在渗透能转换和信息传输中的关键瓶颈。NP-MXene膜的高性能源于其亚纳米通道的精确尺寸控制、不对称表面电荷分布以及稳定的层状结构。该工作不仅为高效渗透能收集提供了新方案，还开创了离子电子学逻辑控制的新路径，为未来神经形态计算和脑机接口技术的发展奠定了材料基础。同时，基于二维纳米片的可扩展制备方法，为大规模器件集成和实际应用提供了可能。