纳米通道中的离子输运特性与机理是研究细胞离子通道、离子整流与纳滤过滤的基础。纳米孔道结构与表面修饰对离子输运调控的研究工作已有诸多报道，但关于电场对于纳米孔道表面与离子输运的影响尚不清楚。
中国科学院近代物理研究所科研人员利用HIRFL高能微束装置的单离子辐照技术和径迹蚀刻法制备的PET单纳米孔道，系统地研究了电场调控对纳米通道表面电荷与离子输运的影响。研究发现二价和三价阳离子对PET纳米孔道分别具有可逆和不可逆的表面电荷修饰作用，首次报道了纳米孔道离子整流状态转变的阈值电压存在。在电场作用下，纳米孔道离子传输特性转变主要是由于超过阈值电场时，孔道表面PET分子链的羧基-阳离子键破裂导致阳离子解离与孔道表面分子链重排，从而引起表面电荷密度与等效纳米孔道口径变化。这些发现可能揭示了电压门控生物离子通道的工作机制，为微纳孔道离子整流与过滤控制提供了新的视角，在离子分离、生物分子检测和纳米通道能量收集等领域有着潜在的应用前景。
该工作得到国家自然科学基金项目支持，成果发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。
图1 多价态离子浓度对纳米通道中离子载流子的影响
图2 纳米孔道的离子传输特性在超过阈值电场时发生状态转变
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