二氧化硅纳米多孔膜(Silica Nanoporous Membrane,简称SNM)是一种孔道结构高度垂直有序、孔径及厚度均在纳米尺度且孔径均一的人工纳米多孔膜。其中,垂直的孔道有利于分子在孔道内的传质,因而这类纳米多孔膜在分子过滤、药物控释、催化、纳流控等领域具有广泛的应用前景。此外,SNM具有纳米级别的孔径,因此有望实现分子级别的筛分。通过不对称修饰可以进一步提升该纳米多孔膜在传质过程中的选择性。除浓差扩散外,引入外加电压可以丰富SNM的传质行为,这对模仿生物离子通道的传质行为具有十分重要的意义。本论文主要围绕SNM的跨膜传质行为,研究尺寸、电荷和不对称修饰对分子跨膜行为的影响,以及在外加电场下SNM的电渗流行为。第一章介绍了纳米孔道的分子传输理论,包括双电层、电势分布、Debye-Huickel近似、Nernst-Planck方程、Smoluchowski方程以及第二类电渗流。然后概述了在浓差驱动下的非异构纳米多孔膜的分子选择性以及异构纳米多孔膜的跨膜传输行为。最后对具有垂直有序孔道的纳米多孔膜的电渗流行为进行了简要总结,并介绍了电渗流在分离与检测、微反应器、药物传输、电渗流整流、自电渗泵以及微流控领域中的应用。第二章采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)辅助转移法制备了自支撑的SNM。将SNM固定在U型池中间,通过紫外可见吸收光谱在线检测的方法进行分子分离实验,并对SNM的渗透性和选择性进行定量研究。因为SNM孔径超小(约2~3 nm)且孔道表面带负电荷,所以SNM在分子分离时表现出优异的尺寸和电荷选择性。基于SNM均一的孔径,其对于小分子甲基紫精和大分子细胞色素c的分离比高达273。通过改变电解质溶液的浓度以及溶液的pH,可以分别调控SNM纳米孔道内双电层的厚度及其表面所带的电荷种类和电荷密度,从而调节SNM的电荷筛分能力。由于SNM超高的孔隙率(16.7%)以及垂直有序的孔道,SNM具有相当好的渗透性,分子通量高于商品化的透析膜以及其他已报道的纳米多孔膜。另外,在外加电场作用下,SNM的通量以及分离选择性都得到了明显地提升。第三章通过对SNM进行不对称修饰,制备了一种新颖的分子单向阀。采用热沉积的方法,将疏水的聚二甲基硅氧烷(PDMS)仅修饰在SNM的一侧,使SNM该侧的纳米孔口变得疏水。这种不对称的纳米结构(PDMS-SNM)能够使PDMS层对分子的疏水作用力和SNM层对分子的静电作用力产生协同作用,最终使分子能够在特殊的环境中进行单向传输。比如,只有带正电荷的分子能够从PDMS-SNM的PDMS侧跨膜传输到另一侧,而其反向的跨膜行为将被抑制。前者是因为带正电荷的分子与SNM层之间的静电吸引力使其克服了来自PDMS层的疏水排斥力,最终静电吸引力“拉”着带正电荷的分子通过PDMS-SNM。而在后一种情况中,静电吸引力不再是可以克服PDMS层疏水排斥力以促进分子跨膜传输的驱动力。另外,在某些特殊的条件下,如高离子强度或适当的pH(如pH=3),PDMS-SNM分子单向阀将关闭并阻止分子从任意方向上的跨膜行为。第四章探究了基于超薄二氧化硅纳米多孔膜(u-SNM)的有效电渗泵(EOP)的性能。该EOP可以在较低操作电压(0.2 V)下驱动流体流动。由于u-SNM超薄(～75 nm),当外加电压为1.0 V时,其在0.4 M KC1溶液中的有效跨膜电场强度高达8.27 × 105Vm-1。u-SNM的最大归一化电渗流速度为172.90 mL min-1 cm-2 V-1,大于大多数基于纳米多孔膜的电渗泵。u-SNM如此高的归一化电渗流速度归功于其超小的厚度和超高的孔隙率(1 6.7%,孔密度为4 ×1012 cm-2)。由于u-SNM较小的动力学半径(ka<10),其电渗流速度分别与外加电压和电解质溶液浓度呈正相关。另外,因为zeta电势与电解质溶液浓度呈负相关,而动力学半径与电解质溶液浓度呈正相关,所以当电解质浓度为0.4 M时,u-SNM的电渗流速度具有最大值。第五章对以上三项工作进行总结,并展望了SNM的应用前景。