● 摘要
经过亿万年的进化，自然界的生命体基本上实现了对生命活动过程的智能操纵，向自然学习是人工智能新材料体系发展的永恒主题。生物体中细胞膜上的纳米孔道在智能调控分子生物学过程中发挥着重要的作用。受生物纳米孔道的启发，利用纳米技术、界面化学、分子生物学、物理化学等综合的研究方法，将发展出一类具有重要基础研究价值和应用前景的人工智能纳米孔道隔膜材料。本论文以仿生为研究背景，研究了具有一定功能的仿生传感分析装置，并且开发了这些智能薄膜器件在能源方面的应用。主要研究内容如下：
1. 将生物客体作为人工合成器件的功能组件，建立了一个研究和模仿生物功能的接口。目前在建立这类生物复合器件，并用于模拟细胞膜离子通道的研究中，一个极大的挑战就是增强仿生孔道体系的开关效率。我们构筑了一个利用DNA超级三明治（DNA supersandwich）和ATP共同驱动的纳流器件。它的开关比可以达到106，并且在关闭状态下提供~GΩ量级的封装电阻。这些特异性质都是利用纳米孔道内的DNA超分子自组装以及在ATP作用下的分解来实现的。基于这一可逆的“全有”或“全无”（all-or-none）的电化学特性，我们第一次在纳流体系上实现了IMPLICATION的逻辑操作。同时，基于DNA和ATP的纳米门控体系也为高信噪比的仿生纳流传感研究产生一定的影响，并且对纳流结构的模块化DNA计算提供了重要的先例示范作用。
2. 构筑了一个具有高灵敏度和特异性的纳流传感装置。根据纳米孔道内DNA超级结构的组装程度，利用电信号的变化可以实现目标DNA分子和靶标小分子的无标记检测。其中，目标DNA分子的检测限可以达到10 fM，ATP的特异性检测可以达到1 nM，同时也实现了不同核酸链段单碱基错配的分辨以及小分子的特异性识别。并且，该套复合的纳米孔传感装置也可以在更为复杂的机体，甚至是血清中进行检测。在未来的研究中，这种传感检测方法可以进一步发展成为相关疾病分子的活体分析检测，对生物技术和生命科学的研发有着巨大的潜在应用价值.
3. 利用机械剥离径迹刻蚀二维层状材料云母的方法制备超薄纳米孔，该方法操作简单，易行，有效。多孔的超薄云母片可以进一步转移至硅窗口基底制备单孔或者多孔的纳流器件，同时纳米孔的大小，长度和数量均可以通过这种方法进行可控的制备。这种技术也可以推广到其它的二维层状材料，制备图案化单原子层厚的超薄膜，应用到超细过滤，水的纯化，以及海水的淡化。
4. 利用DNA分子自组装形成的超级三明治结构，修饰到具有平行四面体结构的云母纳米孔道中，形成了高效的离子门控开关。同时，通过对云母纳孔非对称的DNA修饰，实现了离子传输的类二极管特性。这些研究结果证明，在具有类平行四面体结构的固体纳米孔道中，同样可以使用DNA这种柔性生物分子来构筑门控和整流的纳米流体器件。这种结合DNA的孔道修饰方法有望被拓展到其他人工合成的孔道材料中。
5. 首次构筑了自堆积石墨烯凝胶薄膜的二维纳流产能装置。利用石墨烯水凝胶薄膜可以实现宏观的纳流电路，同时得到足够大面积的通道宽度，大约为10 nm。通过外加压力，石墨烯凝胶薄膜就可以作为一个有效的离子过滤装置，选择性的传输带有相反电荷的离子。根据这一机理，集成的二维纳流产能装置就可以把液压转变成动离子电流。我们的研究结果也可以进一步推广，应用至其他的二维纳流产能装置，比如利用走路的步伐运动、身体内部液体的流体、或者是检测心脏的跳动等都可以进行电力的收集。这种方法也可以进一步推广至其他种类的层状材料，引起功能化二维纳流装置的研究热潮。