近日，中国科学院大学纳米科学与工程学院杨金雷副教授团队在纳米流体能量收集领域取得重要突破。研究团队通过制备具有AA堆叠有序纳米孔阵列的超薄共价有机框架（COF）膜，首次揭示了密集排布纳米孔道间的“集体流体耦合”机制，实现了创纪录的动电学能量收集性能，并成功构建了可模拟心跳驱动的超高灵敏度纳米流体发电机。相关成果以“Collective fluid coupling in ultrathin covalent organic framework membranes for high-performance electrokinetic energy harvesting”为题发表于《ACS Nano》。中国科学院大学纳米学院博士研究生谢涵为论文第一作者，杨金雷副教授、国家纳米科学中心李连山研究员和涂斌副研究员为共同通讯作者。

　　针对现有二维材料纳米孔膜因片层不均一、孔道曲折导致输出功率仅达毫瓦级的瓶颈，团队采用界面聚合法制备了5种厘米级超薄COF膜（膜厚2~20 nm可调），其具有高度有序的AA堆叠四方晶格结构（晶格常数~2.5 nm，孔密度10¹³ cm^-2）。动电测试中，Gly-COF膜实现了4.7 kA·m^-2·bar^-1的流动电流密度和超过10 W·m^-2·bar^-1的功率密度，流体渗透率超过10⁷ L·m^-2·h^-1·bar^-1，三项指标均大幅超越此前报道。膜厚依赖研究表明10 nm为表面电荷主导区与电阻主导区的分界点，且该膜在1 M KCl高浓度电解液中仍保持优异输出，突破了传统单孔体系高浓度屏蔽电荷的局限。

　　为揭示高性能根源，团队建立了耦合PNP与N-S方程的多孔阵列数值模型。模拟表明，孔间距缩小至2.5 nm时，相邻孔道流场发生强烈流体动力学耦合——流线显著拉直、孔口粘性耗散大幅降低、流体阻抗明显减小；孔间距从12 nm减至2.5 nm可使流速提升34%~54%，而改变滑移长度仅能带来约4%变化，有力证明集体流体耦合效应（而非界面滑移）才是超高渗透率的主导因素。基于此，团队构建了仿生纳米流体发电机（UNFG），在模拟人体心跳（75次/分钟，80~120 mmHg）脉动压力下稳定输出~10 μA电流和151 nW功率，450循环无衰减，且在生理盐水和磷酸盐缓冲液中稳定运行数千循环。更关键的是，有效膜面积从78.5 μm²放大至0.08 mm²（跨越3个数量级）后，功率密度仍保留单孔器件的81%，为实用化扫清障碍。

　　该工作跳出传统“优化单孔”范式，首次从实验和理论层面系统证明，调控孔-孔集体相互作用是突破纳米流体阻抗瓶颈、发展规模化微纳能源器件的有效路径，为自驱动可植入医疗设备、生理监测传感器及下一代微电源系统提供了全新材料平台和理论支撑。该研究获国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项、中央高校基本科研业务费资助。

　　　　　　　　　　　　　图1. 仿生心跳驱动纳米流体发电机（UNFG）。（a）UNFG结构及动脉血压驱动示意图；（b）周期性压力下稳定输出~10 μA电流和151 nW功率，450循环无衰减，并可清晰分辨心动周期中的收缩期（0.3 s）与舒张期（0.5 s）；（c）器件灵敏度达1.45 A·m-2·mmHg-1，呈良好线性响应。

DOI：10.1021/acsnano.6c08135

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.6c08135

通讯作者：中国科学院大学杨金雷副教授、国家纳米科学中心李连山研究员、涂斌副研究员。