Regulate Ion Transport in Subnanochannel Membranes by Ion-Pairing

化学 离子 配对 离子运输机 化学物理 生物化学 有机化学 凝聚态物理 物理 超导电性
作者
Rongming Xu,Hang Yu,Jiachun Ren,Weiming Zhang,Yuan Kang,Zhuyuan Wang,Fan Feng,Xiaoli Xia,Jefferson Zhe Liu,Luming Peng,Xiwang Zhang,Bingcai Pan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (20): 17144-17151 被引量:26
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02722
摘要

The ability of biological ion channels to respond to environmental stimuli, regulate ion permeation rates, and selectively transport specific ions is essential for sustaining physiological functions and holds immense potential for various practical applications. In this study, we report a highly selective ion separation membrane capable of responding to ionic stimuli, thereby regulating the permeation rate of the target ions. This membrane is constructed from two-dimensional MXene nanosheets functionalized with γ-poly(glutamic acid) (γ-PGA) molecules. Its biomimetic ion channel structure provides spatial confinements, as well as ion recognition and response sites. Remarkably, the membrane demonstrates the ability to respond to stimulus ions, achieving regulation of target ion permeation rates by over 2 orders of magnitude and achieving a K+/Mg2+ selectivity exceeding 10.3 Unlike traditional nanochannel membranes, where ion transport is predominantly driven by ion-channel interactions, this membrane operates through an ion-ion interaction-dominated mechanism. The introduction of stimulus ions dynamically alters ion-pair formation within the subnanochannels, thereby modulating the permeation rates of target ions. This study provides a fresh perspective on ion transport mechanisms in nanoconfined environments, reflecting conditions closer to those in real-world systems. It underscores the pivotal role of ion-ion interactions in regulating ion transport and offers valuable insights into the design of next-generation ion separation membranes with tailored responsiveness.
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