南方科技大学薛亚辉教授团队ACS Nano | 静电调控三层石墨烯纳米孔作为超薄整流离子滤芯

英文原题：Electrostatically Gated Trilayer Graphene Nanopore as an Ultrathin Rectifying Ion Filter

通讯作者：薛亚辉（南方科技大学），王赟姣（中国科学院重庆绿色智能技术研究），涂斌（中国科学院国家纳米科学中心）

第一作者：陈强（南方科技大学），曹洲文（中国科学院国家纳米科学中心）

背景介绍

在生物体内，离子通道扮演着至关重要的角色，它们具有显著的离子选择性和整流特性，能够精准地调控离子传输，从而在神经信号传导、心脏节律和肌肉收缩等生理过程中发挥关键作用。然而，开发能够模拟生物离子通道的人工结构一直是科学界的难题。近年来，二维材料中的纳米孔因其在能量转换、离子分离和生物传感等领域的巨大潜力而备受关注。近日，一项发表在ACS Nano 上的研究成功制备了一种基于三层石墨烯的锥形纳米孔，这种纳米孔在静电调控下展现出优异的离子选择性和整流特性，为开发超薄生物模拟离子滤芯提供了新的思路。

文章解析

研究人员通过化学气相沉积（CVD）技术制备了三层石墨烯膜，并利用电化学反应（ECR）技术在其上制造出亚纳米级的锥形纳米孔。这种纳米孔的厚度仅为1.02纳米，与生物离子选择性滤芯的尺寸极为接近。

图1. 生物灵感和实验装置

实验结果显示，三层石墨烯纳米孔展现出显著的非线性离子传输特性，这与生物离子通道的特性相似。该纳米孔对K⁺和Cl^-的传输表现出极高的选择性，其K⁺/Cl^-选择性比达到193。此外，纳米孔在不同阳离子之间的选择性顺序为K⁺ > Na⁺ > Li⁺> Ca²⁺ > Mg²⁺，这表明纳米孔能够有效区分单价和双价阳离子。

图2. 整流离子输运和离子选择性

在离子整流方面，三层石墨烯纳米孔也表现出显著的整流效应。其整流比（定义为I-V曲线在相反电压下的绝对离子电流比）在K⁺溶液中达到10.8，远高于其他阳离子。这一整流比在施加静电电压（V_g）时进一步增强，最高可达34。这表明，通过静电调控可以显著提升纳米孔的离子整流性能。此外，研究人员还观察到，通过改变跨膜电压，可以实现纳米孔离子通道的快速开关效应，这类似于生物细胞膜的动作电位。

图3. 三层石墨烯纳米孔的可切换离子整流和跨膜电导

理论模拟揭示了三层石墨烯纳米孔独特的离子传输机制。纳米孔内部的离子传输方向从锥底到锥尖，这与传统的锥形纳米孔（如锥形PET纳米孔）的离子传输方向相反。这种独特的传输方向源于三层石墨烯锥形纳米孔两端电双层（EDL）的重叠强度差异以及纳米孔内部的非均匀电场。

图4. 分子动力学（MD）模拟和超薄锥形三层石墨烯纳米孔整流机理示意图

总结与展望

这项研究首次成功制备了具有静电调控功能的三层石墨烯锥形纳米孔，并展示了其作为超薄生物模拟离子滤芯的巨大潜力。该纳米孔不仅具有优异的离子选择性和整流特性，还能通过静电电压实现对离子传输的精确调控。这种纳米孔的结构和性能使其在能量转换、离子分离和生物传感等领域具有广泛的应用前景。

相关论文发表在ACS Nano 上，南方科技大学硕士生陈强和中国科学院国家纳米科学中心博士生曹洲文为文章的共同第一作者，中国科学院重庆绿色智能技术研究院王赟姣副研究员、中国科学院国家纳米科学中心涂斌副研究员和南方科技大学薛亚辉副教授为共同通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Electrostatically Gated Trilayer Graphene Nanopore as an Ultrathin Rectifying Ion Filter

Qiang Chen, Zhouwen Cao, He Zhao, Yunsheng Deng, Xin Peng, Zhenya Ding, Guoyuan Zhang, Lingfeng Yu, Yunjiao Wang*, Bin Tu*, Yahui Xue*

ACS Nano 2025, XXXX, XXX, XXX-XXX

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03775 

Published June 2, 2025

© 2025 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）