生物离子通道在生物体的基本生理功能中发挥着重要作用。为了模仿这类离子传输系统的巧妙结构和功能，研究者已经开发了智能人工纳米流体系统。虽然纳米流体系统在生物传感和能源转换等应用中具有很大的前景，然而，具有高离子通量和可调节离子传输能力的智能纳米流体装置仍有待实现。

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology，KAUST）赖志平教授团队报道了一种基于取向二维共价有机框架（2D COF）膜的智能纳米流体装置。由于COF膜内纳米通道阵列垂直取向，与传统的单通道纳米流体装置相比，离子通量实现了2-3个数量级的提升。此外，由于亚胺和苯酚羟基的pH响应性，COF膜实现了主动可调控的离子传输特性，其pH门控比高达100，显示出智能的离子选择性能力。

首先通过溶剂热的方法，在硅片基底上制备了大面积取向COF膜；并通过掠入射广角X射线散射（GIWAXS）和高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）证明了COF膜中纳米孔道沿c轴取向排布。COF膜厚度可通过改变单体浓度以及反应时间进行调控。研究了离子在COF膜内传递行为，结果表明：COF膜显示出典型的表面荷电控制的离子传导特性，并且通过调控电解质pH值，可实现对COF膜的离子传导率的主动调控。升高或降低电解质的pH值COF膜的离子电导可提高2个数量级，主要归因于孔道内部荷电密度的提高。DFT理论计算表明COF膜内酚羟基去质子化以及亚胺基团质子化过程是诱导孔道内部荷电密度提高的主要原因。

基于取向二维COF膜的纳米流体装置具有高离子流量和智能门控特性，其在操控生物分子传递以及能量转换应用中具有重要意义。此外，COF材料丰富的化学组成可以实现对通道的物理和化学特性的精确调控，包括通道尺寸、电荷密度和响应性等。总之，取向二维COF膜有望提供一个理想的平台来制造智能纳米流体装置，并研究离子以及分子在受限空间内的传输机制。

论文信息：

Oriented Two-Dimensional Covalent Organic Framework Membranes with High Ion Flux and Smart Gating Nanofluidic Transport

Li Cao, Xiaowei Liu, Digambar B. Shinde, Cailing Chen, I-Chun Chen, Zhen Li, Zongyao Zhou, Zhongyu Yang, Yu Han, Zhiping Lai*

文章的第一作者是阿卜杜拉国王科技大学先进膜和多孔材料中心（KAUST, Advanced Membranes and Porous Materials Center）曹利博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202113141