 近年来，纳米孔，尤其是碳纳米孔的研究，获得了多方面的关注。在受限的纳米空间内，物质输运具有许多独特的与宏观迥然不同的性质，有望在水净化、离子富集、生物传感、疾病治疗等方面实现突破。有机大环分子通过自组装可形成精确的纳米结构，在孔径大小、均一性以及可修饰性等方面都展现了其特有的优势，是极具应用前景的新型纳米材料。上海交通大学生物医学工程学院邵志峰研究团队与纽约州立大学的龚兵教授以及北京师范大学的科学家合作，最近在人工合成有机纳米孔领域取得了重要进展。
该合作团队成功合成了含有6个苯环单元的大环分子，并通过原子力显微镜等表征手段，发现这些类似甜甜圈形状的刚性大环分子在氢键的作用下有序自发堆积，形成精准、规则的，孔径小于1纳米的纳米管（见图）。更为重要的是，这些大环分子可以直接插入磷脂双层膜中自主形成结构类似的纳米孔。荧光淬灭以及单通道电生理实验显示这些人工纳米孔具有类似于细胞离子通道的活性，可以高效传输钾、氢等离子。不同于常见的碳纳米管，有机大环分子允许在特定的位点进行化学修饰。利用这一特点，该团队通过分子设计，在刚性大环分子的内腔修饰了不同的分子基团，并通过这些基团的不同性质而调控这些纳米孔的分子输运特性。他们的研究发现，在大环分子内部修饰一个氨基或甲基基团后，虽然仍可通过自组装形成外径尺寸相同的纳米孔，但所形成的纳米孔的离子传输性质发生了巨大变化。与通常的预计相反，这些内孔较小的结构对氢离子的导通效率影响很大，反而对体积较大的阴离子（如氯离子）的传输性能却有明显提高。这表明，内孔修饰的物理性质对纳米孔的离子选择性有重要的作用，而空间限制则其次。这些结果证明，人们可以通过分子设计在这些大环分子的基础上，通过准确定位的化学修饰而实现所需要的传输特性。由于大环分子的尺度与形状都具有一定的可设计性，而内腔中可修饰的化学基团也具有广泛的选择性，因此，这些刚性大环分子为各种不同的应用提供了广泛的选择，在规模化之后，有望实现对特定分子的分离或检测。其中，水净化、贵金属（如锂）纯化等方面的应用前景巨大。该研究成果于近日在化学领域权威期刊《Journal of the American Chemical Society》（IF: 12.1）上正式发表。
该项研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科委、浦江人才计划和王宽诚教育基金会的支持。沈轶助理研究员为文章共同第一作者，邵志峰教授为共同通讯作者。
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