一作兼通訊，中國青年學者，發篇Nature Energy過大年，滲透能發電新突破！

納米孔“刷脂”發電！藍色能源功率突破51.4 kW m?2

海水與淡水在河口交匯時蘊藏著巨大的鹽度梯度能，被稱為“藍色能源”。這種清潔可再生能源儲量豐富，卻長期受制于能量轉化效率低、界面調控困難以及規模化制備受限等難題。傳統膜材料難以在納米尺度精確調控離子通道結構，而固態納米孔雖然幾何可控，卻普遍面臨表面電荷密度有限、界面摩擦大等瓶頸，導致離子傳輸效率難以進一步突破。如何在保持納米結構精度的同時，實現界面電荷與流體動力學協同優化，成為納米流體發電領域的核心挑戰。

今日，來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的Yunfei Teng、Tzu-Heng Chen和Aleksandra Radenovic教授提出一種“液態化涂層”功能化納米流體系統：通過半導體級微納加工構筑HfO?階梯狀納米孔，再在孔道內自組裝帶正電的脂質雙分子層，實現表面電荷密度與滑移長度的協同增強。實驗結合數值模擬揭示，超高表面電荷與水合潤滑產生協同效應，可顯著提升離子選擇性與傳輸效率。該策略成功擴展至膜尺度系統（孔密度10? cm?2），實現最高約51.4 kW m?2的滲透能功率密度，為下一代納米流體能源器件提供了全新框架。相關成果以“Charge and slip-length optimization in lipid-bilayer-coated nanofluidics for enhanced osmotic energy harvesting”為題發表在《Nature Energy》上。Yunfei Teng為一作兼通訊。

作者首先展示了這一納米結構的構筑過程。研究團隊首先在SiNx基底上利用各向異性原子層沉積（ALD）生長HfO?，形成層層收縮的“鐘乳石”式階梯結構（圖1a–c）。這種幾何形貌不同于傳統刻蝕納米孔，而是利用材料自然生長形貌實現三維薄膜構型控制。隨后通過等向SiO?沉積進一步平滑表面，使孔徑最終收縮至約24 nm（圖1d）。TEM圖像清晰呈現出多層結構的演化軌跡，為后續界面功能化奠定基礎。

圖1：HfO?階梯狀納米孔的多步沉積構筑與TEM結構表征。

真正的創新出現在圖2。團隊利用帶正電的DOTAP/DOPC脂質體，在電場驅動下進入納米孔內部（圖2a）。隨著脂質體被壓縮、破裂并鋪展成支持型脂質雙層，孔壁表面從“剛性無機界面”轉變為“帶電柔性界面”。電流-時間曲線記錄了脂質體吸附與展開的全過程（圖2b），穩定的電導變化意味著成功形成功能化涂層。最終結構呈現三層復合：HfO?幾何層、SiO?相互作用層以及可調電荷的脂質調控層（圖2c）。這一液態化界面既保持結構穩定，又具備可調表面電荷密度。

圖2：電場驅動脂質體進入納米孔并形成支持型脂質雙層的過程與結構示意

圖3聚焦于界面電荷與能量轉化性能的關系。ATR-FTIR結果顯示脂質雙層處于液晶相態（圖3a），保證分子流動性與高密度排布。隨著DOTAP比例提升，表面電荷密度最高可達0.4 C m?2（圖3b），遠超多數固態材料。I–V測試表明，無論是滲透電流還是滲透電壓，均隨電荷密度增加而顯著提升（圖3e、f）。選擇性S值也呈現超線性增長（圖3g），說明電雙層重疊增強了離子篩分能力。換言之，脂質層不僅提高電荷數量，還改變了界面物理環境。

圖3：脂質雙層電荷調控與單孔滲透能轉化性能（電壓、電流與選擇性）

更深層機制體現在圖4的數值模擬中。研究者構建軸對稱模型，將表面電荷密度與滑移長度作為獨立變量引入泊松-能斯特-普朗克-斯托克斯方程組。結果表明，增加滑移長度可顯著提升邊界流速（圖4b），而提高電荷密度則主導選擇性增強（圖4c）。傳統固態材料中，電荷密度與滑移長度往往呈負相關，形成“強電荷-高摩擦”的悖論；而脂質雙層由于水合潤滑作用，實現電荷增加與滑移增強的正相關協同（圖4f），從根本上突破了性能權衡。

圖4：表面電荷密度與滑移長度協同作用的數值模擬及功率提升機制

接著作者將實驗推向規模化驗證。團隊在直徑約20 μm區域內集成約1000個納米孔陣列，孔密度達10? cm?2（圖5b）。在1 M/10 mM鹽度梯度下，功能化膜表現出顯著更高的電流密度與功率密度（圖5d、e）。經負載電阻測試校正后，系統在標準條件下實現約51.4 kW m?2的凈交換面積功率密度；在模擬河海水條件（0.5 M/0.01 M NaCl）下仍可達41.4 kW m?2，展現出優異環境適應性（圖5f）。

圖5：膜尺度納米孔陣列結構及其滲透能發電性能測試結果。

小結

這種液態化脂質涂層為納米流體界面工程提供了全新范式。通過將軟物質摩擦學中的“水合潤滑”機制引入納米孔體系，研究首次實現表面電荷與滑移長度的協同增強，并成功擴展至膜尺度演示。盡管硅基納米膜在超大規模制備方面仍面臨挑戰，但該界面策略具備可遷移性，有望推廣至其他可規模化基底，在藍色能源、離子計算與精細化工分離等領域發揮潛力。