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  • 姓名： 郭维
  • 性别： 男
  • 职称： 研究员
  • 职务： 
  • 学历： 博士
  • 电话： 
  • 传真： 
  • 电子邮件： guowei@mail.ipc.ac.cn
  • 通讯地址： 北京市海淀区中关村东路29号
    简　　历：

  • 2020.8-至今， 中国科学院理化技术研究所，仿生智能界面科学实验室，研究员

    2014年3月－2020年7月，中国科学院理化技术研究所，仿生智能界面科学实验室，副研究员

    2012年3月－2014年2月，中国科学院化学研究所，有机固体实验室，副研究员 

    2009年8月－2012年2月，中国科学院化学研究所，有机固体实验室，助理研究员 

    2004年9月－2009年7月，北京大学物理学院，核科学与技术专业，获博士学位 

    2000年9月－2004年7月， 首都师范大学物理系，物理学专业，获学士学位 
    社会任职：
  • 《Chinese Journal of Chemistry》，《Chinese Chemical Letters》青年编委
    研究方向：

  • 主要研究方向为仿生功能材料，界面物理化学，纳流体，新能源材料，二维材料

    郭维研究团队通过模仿生物离子通道的结构和功能，利用人工合成的材料构筑一维和二维的仿生孔道结构，在纳米及亚纳米尺度的受限条件下，实现水、离子、和有机小分子的可控传输与能量转换，并揭示出与宏观极为不同的物理和化学性质。生命体系中，电能的产生和释放，与顺浓度梯度的被动输运 (passive transport) 和抗浓度梯度的主动输运 (active transport)，这两类离子传输过程相联系。其核心科学问题，是非对称的离子传输特性。我们的工作围绕人工体系中的被动和主动输运，开展仿生研究。其中包扩三方面内容：

    （1）受电鳗启发的盐度差能转换

    电鳗强大的生物电能力一直是仿生领域重要的研究对象。我在博士论文中，就率先提出: 一维纳米孔道中由浓度梯度驱动的选择性离子扩散，就是对电鳗放电的一个简化的、原理性的模仿 [郭维，北京大学博士学位论文 2009；Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1339; Energy Environ. Sci. 2011, 4, 2259]。由此开辟了，受电鳗启发的盐度差能转换的研究方向。并且，我们将基于单孔道的概念性研究拓展到多孔膜材料，利用氧化铝孔道与介孔碳的复合，制备宏观尺度的“离子二极管膜”，通过混合海水和河水浓度的盐溶液，得到 3.5 W/m2 的输出功率，比使用离子交换膜提高了一个数量级，这在发表时是世界纪录 [J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 12265]。

    此后，我们的工作一直在这个方向，向着更加深入，和实用化的目标推进。为解决一维孔道均一性差、制备复杂、化学修饰效率低等问题，我们把研究平台全面拓展到二维层状材料中。利用化学修饰的氧化石墨烯纳米片，组装带有负电荷或正电荷的二维多层膜，仿照电鳗起电细胞的双隔膜结构，构筑发电单元。由15对氧化石墨烯膜串列形成的电池组，输出电压可达 2.7？V，第一次真正实现了驱动实际的用电器 [Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1603623]。此外，我们还从天然矿物，比如高岭石，中提取两面异性的二维晶体，来组装膜材料。它的机械强度、热稳定性、和化学稳定性均超越石墨烯材料 [Adv. Mater. 2017, 29, 1700177]。

    在理论研究层面，我们采用“三步走”的策略，建立了一套适合多孔体系的模拟计算方法，使理论模型能够定量或者半定量地描述实验 [Mater. Chem. Front. 2018, 2, 935; Inorg. Chem. Front. 2018, 5, 1677; Small 2019, 15, 1804279]。解决了领域内存在近10年的，从单孔到多孔，功率密度存在巨大差异的问题。并且用它解决了一系列盐度差能转换中的实际问题，比如，超薄孔选择性起源，膜厚，及孔密度的反常依赖性等 [Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804189; Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604302; Chin. J. Chem. 2018, 36, 417]。

    （2）二维离子通道膜中的主动输运

    利用完全非生物的材料实现抗浓度梯度的主动输运是一项巨大挑战。我们提出了一种，由膜材料光电特性诱导的驱动模式，将光生载流子在膜上的扩散与离子在层间的传输相耦合，实现了二维离子通道膜中的主动输运 [Nat. Commun. 2019, 10, 1171]。进一步，我们深入挖掘了，一系列能够产生主动输运的诱因，并将这种主动输运模式发展成为光致的离子开关、二极管、场效应管，以及在海水淡化领域的应用 [Adv. Mater. 2019, 31, 1903029; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907549; Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2001549; Small 2020, 16, 1905557; Small 2019, 15, 1905355]。具体来说，我们建立了一种基于二维离子通道异质界面的脱盐新方法。采用双流体抽滤，制备了具有平面电荷异质结构的氧化石墨烯多层膜。它在横向上可以有效阻止无机盐离子的传输，却允许水和质子通过。在电场作用下，异质界面附近形成一个离子浓度耗散的区域。通过施加一定的负压，就能从膜中汲取淡水。从而，无需压缩层间距，实现对 NaCl 等无机盐离子超过 97% 的脱除，和高达 1500 LMH 的水通量 [Adv. Mater. 2020, 32, 1903954]。

    （3）非对称输运特性本质的探究

    自从1997年，A. J. Bard 课题组在石英纳米毛细管中发现了第一例被称为离子整流 (Ionic Current Rectification) 的非对称输运现象。此后大量研究表明，这种现象与孔道结构或者环境中，对称性因素的破缺有关。然而，20年来，并没有一种明确的对应关系，能够对所谓的“对称性破缺”进行可量化的描述。我们在前期DNA修饰纳米孔道的基础上[Adv. Mater. 2015, 27, 2090; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2007; J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15395]，以DNA填充的纳米孔道为模型，研究DNA组装体分解过程中，离子整流特性的演化，并利用一维统计模型的序参量，作为衡量体系对称性的指标，使人们第一次清晰地看到，非对称的传输特性 是如何产生，又如何消失的，彻底回答了这一20年悬而未决的难题 [J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 18739]。

    进一步，我们将非对称输运特性的研究由 1维，拓展到 2维，和 1维/2维复合体系，并且将驱动力拓展到 电场、浓度梯度、和机械压力三种。发现了截然相反的优势输运方向，我们从实验和理论的角度，对这一类新的输运现象给予了解释 [ACS Nano 2019, 13, 4238; Chem. Sci. 2017, 8, 4381; Adv. Mater. Technol. 2019, 4, 1800742]。
    承担科研项目情况：

  • 主持国家自然科学基金委优秀青年科学基金，重大研究计划课题，面上，青年项目，以及北京市科技新星计划项目等。

    代表论著：

  • 迄今，已发表第一/通讯作者论文 45 篇，其中 27 篇发表于国际一流学术刊物，占比达60%（近5年，该比例达 70%），包括 J. Am. Chem. Soc. (3篇), Nature Communications (1篇), Angew. Chem. Int. Ed. (1篇), Adv. Mater. (7篇), Adv. Funct. Mater. (7篇), Energy Environ. Sci. (1篇), Chem. Sci. (1篇), ACS Nano (1篇), Small (3篇), Acc. Chem. Res. (1篇), Chem. Soc. Rev. (1篇)，被引用 4200 余次。

    （1）2020-06-04："Laterally Heterogeneous 2D Layered Materials as an Artificial Light-Harvesting Proton Pump" 被 Advanced Functional Materials 接收，DOI: 10.1002/adfm.202001549。Materials Views-China 新闻报道。Go to GO 2020 会议 Best Poster Award。我们从2015年开始探索 非生命体系中的主动输运，2019年第一篇 NC 发出来。自此，我们把“一阳指”练成了“六脉神剑”，发了 2篇 AM, 2篇 AFM, 和 2篇 Small。基于光生载流子非对称扩散的原理，挖掘出 6 种不同的驱动机制，形成了光子-离子回路的基本元件，探索了海水淡化的应用。

    （2）2020-02-13：我们做脱盐的第一篇文章，"Electric-Field-Induced Ionic Sieving at Planar Graphene Oxide Heterojunctions for Miniaturized Water Desalination" 被 Advanced Materials 接收，DOI: 10.1002/adma.201903954。Nanowerk, ChemistryViews, Materials Views-China 新闻报道。Nature Nanotechnology 发表社论《Treating water with nano》，把这篇文章作为 Further reading 的第一篇。Go to GO 2020 会议 Best Research Award。

    （3）2019-11-21："Light-Powered Directional Nanofluidic Ion Transport in Kirigami-Made Asymmetric Photonic-Ionic Devices" 被 Small 接收，DOI: 10.1002/smll.201905557。

    2019-10-24："Highly-Efficient Ionic Photocurrent Generation through WS2-based 2D Nanofluidic Channels 被 Small 接收，DOI: 10.1002/smll.201905355，Materials Views-China 新闻报道。

    （4）2019-10-10："Photoinduced Directional Proton Transport through Printed Asymmetric Graphene Oxide Superstructures: A New Driving Mechanism under Full-Area Light Illumination" 被 Advanced Functional Materials 接收，DOI: 10.1002/adfm.201907549。高分子科学前沿 新闻报道。

    （5）2019-07-05："Light-Driven Active Proton Transport through Photoacid- and Photobase-Doped Janus Graphene Oxide Membranes" 被 Advanced Materials 接收，DOI: 10.1002/adma.201903029。X-mol 新闻报道。

    （6）2019-04-08："Rectified Ion Transport through 2D Nanofluidic Heterojunctions" 被 Physica Status Solid - Rapid Research Letters 接收，DOI: 10.1002/pssr.201900129。Advanced Science News，MaterialsViews-China 新闻报道。

    （7）2019-03-12："Asymmetric Electrokinetic Proton Transport through 2D Nanofluidic Heterojunctions" 被 ACS Nano 接收，DOI: 10.1021/acsnano.8b09285。

    （8）2019-02-22："On the role of heterogeneous nanopore junction in osmotic power generation" 被 Chinese Journal of Chemistry 接收，DOI: 10.1002/cjoc.201900042。

    （9）2019-02-18："Electrokinetically-Controlled Asymmetric Ion Transport through 1D/2D Nanofluidic Heterojunctions" 被 Advanced Materials Technologies 接收，DOI: 10.1002/admt.201800742。

    （10）2019-02-13："Photo-induced ultrafast active ion transport through graphene oxide membranes" 被 Nature Communications 接收，DOI: 10.1038/s41467-019-09178-x。Nature Nanotechnology，MRS Bulletin，Graphene Info，National Graphene Association，Nanowerk，Graphene Concil，ENGGtalks, ChemistryViews 新闻报道。

    （11）2019-01-08："Understanding the giant gap between single-pore- and membrane-based nanofluidic osmotic power generators" 被 Small 接收，DOI: 10.1002/smll.201804279。Small cover story。

    （12）2018-07-13："On the Origin of Ion Selectivity in Ultra-thin Nanopores: Insights for Membrane-Scale Osmotic Energy Conversion" 被 Advanced Functional Materials 接收，DOI: 10.1002/adfm.201804189。X-mol 新闻报道。

    （13）2018-05-19："Simulation of osmotic energy conversion in nanoporous materials: a concise single-pore model" 被 Inorganic Chemistry Frontiers 接收，DOI: 10.1039/C8QI00397A。Hot ICF articles in 2018。

    （14）2018-03-08："Anomalous Pore-Density Dependence in Nanofluidic Osmotic Power Generation" 被 Chinese Journal of Chemistry 接收，DOI: 10.1002/cjoc.201800067。

    （15）2018-02-17："A general strategy to simulate osmotic energy conversion in multi-pore nanofluidic systems" 被Materials Chemistry Frontiers 接收，DOI: 10.1039/C8QM00031J。Hot MCF articles in 2018。

    （16）2018-01-29："Highly rectified ion transport through 2D WSe2/MoS2 bi-layered membranes" 被 Chinese Chemical Letters 接收，DOI: 10.1016/j.cclet.2018.01.053。

    （17）2017-11-29："On the Origin of Ionic Rectification in DNA-Stuffed Nanopores: the Breaking and Retrieving Symmetry" 被 JACS 接收，DOI: 10.1021/jacs.7b11732。JACS twitter，X-mol 新闻报道。

    （18）2017-07-09："Nanofluidics in Two-Dimensional Layered Materials: Inspirations from Nature" 被 Chemical Society Reviews 接收，DOI: 10.1039/C7CS00369B。RSC 新闻报道。

    （19）2017-07-05："Bio-inspired Energy Conversion in Nanofluidics: A Paradigm of Material Evolution" 被 Advanced Materials 接收，DOI: 10.1002/adma.201702773。高分子科学前沿，Nanowerk, MaterialsViews-China 新闻报道。

    （20）2017-03-31："Photo-switchable Two-dimensional Nanofluidic Ionic Diodes" 被 Chemical Science 接收，DOI: 10.1039/C7SC00153C。

    （21）2017-03-21："仿生离子通道研究进展：从一维到二维" 被 《中国科学：化学》 接收，并被选为封面（Volume 47, Issue 6, 2017）。

    （22）2017-03-06："Electrokinetic Energy Conversion in Self-assembled 2D Nanofluidic Channels with Janus Nano-building Blocks" 被 Advanced Materials 接收，DOI: 10.1002/adma.201700177。

    （23）2016-12-08："Anomalous Channel-Length Dependence in Nanofluidic Osmotic Energy Conversion" 被 Advanced Functional Materials 接收，DOI: 10.1002/adfm.201604302。

    （24）2016-10-06："Osmotic Power Generation with Positively and Negatively Charged Two-Dimensional Nanofluidic Membrane Pairs" 被 Advanced Functional Materials 接收，DOI: 10.1002/adfm.201603623。Materials Views-China，3D Highlight，Advances in Engineering 新闻报道。

    （25）2016-08-31:《Chemically Modified Nanopores and Nanochannels》一书正式出版，其中第四章 “4. Biomimetic Smart Nanopores and Nanochannels” 是我们贡献的。

    获奖及荣誉：

  • 1.2020 入选中国科学院青年创新促进会优秀会员。

    2.2020 Go to GO 2020 -第五届氧化石墨烯国际论坛，Best Research Award, Best Poster Award。

    3.2018 《Materials Chemistry Frontiers》期刊，Emerging Investigators。

    4.2016 入选中国科学院青年创新促进会。

    5.2015 获国家优秀青年科学基金项目支持。

    6.2015 中国科学院卢嘉锡青年人才奖。

    7.2015 北京市科技新星。

    8.2011 北京大学优秀博士学位论文。

    9.2008 叶企孙实验物理奖，三等奖

     

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