Small:碳纳米管离子仿生二极管

对纳米通道进行带电修饰可有效实现通道内的离子受控传输(修饰电荷会阻止相同电性的离子进入通道但会促进带有相反电性的离子进入通道),此类体系因为与生物离子通道工作机理相似也被称为仿生离子通道。利用仿生离子通道构建的二极管通过调控纳米孔道中的离子的富集和耗尽过程可实现传统半导体二极管同样的单向导通功能,且该单向导通功能和纳米通道结构、离子环境、离子种类等特征密切相关,这些特征赋予了该系统优异的离子传输及操控功能,在微纳能源收集、生物检测、化学分析、盐水淡化、离子电子系统等领域具有广泛的应用前景。

随着纳米材料科学的发展,多种纳米材料如纳米孔、纳米薄膜、纳米管道等被尝试用来构建仿生离子二极管,但是由于材料结构、电荷修饰稳定性等限制,现有的仿生离子二极管普遍存在整流效率低,响应速度慢、片上集成困难等问题,严重制约了其在生物检测、离子电子集成电路等领域的应用。

相比其它纳米材料,碳纳米管在仿生离子器件的构建上具有诸多优势:其一,碳纳米管道合成技术相对成熟,其内径尺寸可达~nm,和生物离子孔道尺寸相当,为仿生离子孔道提供了良好的物理结构;其二,碳纳米管端口具有丰富的羧基等官能团,碳纳米管道端口的电荷修饰手段比较灵活且稳定,有利于提高仿生二极管的稳定性,为仿生离子二极管提供了良好的化学基础;其三,碳纳米管内壁超光滑且超疏水,分子和离子在其中的传输效率比其它离子通道高出数个数量级,高效的离子传输有望大幅调高仿生离子二极管的工作效率;最后,片上横向布置的碳纳米管便于多个离子二极管器件的集成。然而对于利用碳纳米构建仿生离子二极管的报道较少,对于碳纳米仿生离子二极管的工作机理和优化研究不够深入,现有的碳纳米管的工作性能也不够理想,如整流比低下、制作过程复杂等。

多伦多大学微流控与生物微机电系统实验室刘新宇教授等系统地介绍了利用碳纳米管构建“双极”仿生离子二极管的加工方法和优化路径,该论文通过数值模拟构建仿生离子二极管模型研究通道内离子传输过程,并在微流控芯片上利用簇状碳纳米管和聚合电解质物理吸附方法构建了仿生离子二极管。通过实验和理论系统地研究了碳纳米管的尺寸(长度和内径)、工作电压、碳纳米管入口修饰电荷的密度,长度和对称性、离子环境(浓度、pH和对称性)等对碳纳米管仿生离子二极管的整流比的影响,表明小的纳米管孔径、较低的离子浓度、较高的电荷修饰密度和长度是实现高效整流比的关键;碳纳米管仿生离子二极管体系中,工作电压、通道长度、溶液pH等均存在最优工作区间;其中工作电压对于碳纳米管仿生离子二极管的影响和电压对半导体二极管的影响机制类似,均存在“击穿”失效现象;适中的溶液的pH环境对维持通道端口的电荷门控效应尤为关键。其中仿生二极管工作条件的非对称性(碳纳米管通道两端工作环境不对称,如溶液浓度、修饰电荷密度等)对仿生离子二极管的整流效果存在较大影响,这些影响机制为利用仿生离子二极管开发纳米能源收集器件和生物检测器件提供了理论依据。

针对碳纳米管仿生离子二极管的实际应用,论文作者尝试在碳纳米管的端口进行DNA修饰,并通过该DNA对HIV病毒DNA进行特异性抓取,从而改变离子二极管的整流特性,进而实现对HIV病毒DNA的检测。该论文同时阐述了通道尺寸和Debye长度对仿生离子二极管整流效果的影响机制,并通过碳纳米离子二极管的优化准则实现了~1148.5的超高整流比。但是由于表征手段和加工技术的限制,作者并没有能够对超疏水碳纳米管内表面对碳纳米管仿生离子二极管的性能提升做出研究,同时对于碳纳米管通道孔径对于仿生离子二极管的影响也暂时未能做出实验验证。因此进一步研究碳纳米管内物质传输效率及其机制对于调控和提升碳纳米管离子二极管的性能具有重要意义。

上述研究工作由多伦多大学微流控与生物微机电系统实验室刘新宇教授课题组博士后彭冉(现大连海事大学副教授)和博士生潘玥玥共同完成,工作同时得到了多伦多大学Aaron R. Wheeler教授和滑铁卢大学Shirley Tang 教授课题组的指导和支持。

论文信息:

Understanding Carbon Nanotube-Based Ionic Diodes: Design and Mechanism

Ran Peng, Yueyue Pan, Biwu Liu, Zhi Li, Peng Pan, Shuailong Zhang, Zhen Qin, Aaron R. Wheeler, Xiaowu (Shirley) Tang, Xinyu Liu*

Small

DOI:10.1002/smll.202100383

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202100383