納米孔道的離子輸運(yùn)現(xiàn)象是材料科學(xué)和生物物理等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。當(dāng)納米孔道的尺度達(dá)到納米即接近分子大小時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)許多奇異的輸運(yùn)現(xiàn)象。研究這些輸運(yùn)現(xiàn)象對(duì)于了解細(xì)胞膜離子通道機(jī)制，制備新型高效分離設(shè)備淡化海水、處理污水，探索新型DNA測(cè)序方法等都有重要意義。基于核徑跡高分子膜制備的納米孔具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)韌富有柔性并且可以高效大規(guī)模制備的優(yōu)點(diǎn)，但是由于已沿用六十多年的傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻制備法不便可靠控制蝕刻速率，無法達(dá)到亞納米尺度。劉峰和王宇鋼課題組基于多年來核徑跡納米孔研究工作的基礎(chǔ)（JACS，2008,2009；AFM, 2010,2011; EES, 2011等），首次通過高能重離子轟擊高分子膜并進(jìn)行充分紫外線照射，不進(jìn)行蝕刻而成功制備亞納米尺度的核孔膜 （Qi Wen, et al., Advanced Functional Materials，2016, Cover Highlights)。該膜具有超高離子選擇性，比如陰陽離子選擇性高達(dá)108，但導(dǎo)通量離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。事實(shí)上，選擇性和通量對(duì)于所有離子分離膜都是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。2017年《Science》專門就此發(fā)表題為“Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity”的長篇評(píng)述文章，指出分離膜研究的正確方向是要同時(shí)具有高選擇性和高通量。通過優(yōu)選高分子膜并利用新的制備工藝，劉峰、王宇鋼課題組所獲得的新型納米尺度核孔膜，在保持堿金屬離子與重金屬離子高選擇性的同時(shí)，將離子的輸運(yùn)率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí) （圖A）。 這種納米核孔膜的優(yōu)異分離性能突破了傳統(tǒng)的分離膜和氧化石墨烯等新型分離膜的局限 （圖B）。與此同時(shí)，他們還建立了高分子納米孔模型并通過分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示，一方面由于孔的半徑在0.5納米左右極大減少了脫水勢(shì)壘的阻礙從而極大提高了輸運(yùn)量，同時(shí)由于部分脫水的離子和表面吸附的電荷之間的相互作用而保持了高選擇性 （圖C）。 這項(xiàng)研究揭示了納米孔道的離子輸運(yùn)新機(jī)制，并且為突破高選擇性和高輸運(yùn)率的矛盾提供了新的思路。通過該方法所制備的高分子膜在過濾重金屬元素的水凈化，制備新型電池等方面也有重要應(yīng)用價(jià)值。