走进仿生超浸润界面专题
仿生超浸润领域在过去的重要性、现在的影响力和未来的可期、可用、可为，充分说明该领域具有无限潜力和生机活力。只有观大势、明大势，才能应势而动、顺势而为，为此，国家先进功能纤维创新中心以李昶、李明与创新中心赵润博士参与编著的《仿生超浸润界面》为核心，在公众号上展开为期6期的仿生超浸润界面专题科普，希望为读者带来一些科学、文化、前瞻的启发。敬请持续关注公众号最新动态~BIOINSPIRED SUPERW
仿生超浸润领域在过去的重要性、现在的影响力和未来的可期、可用、可为，充分说明该领域具有无限潜力和生机活力。只有观大势、明大势，才能应势而动、顺势而为，为此，国家先进功能纤维创新中心以李昶、李明与创新中心赵润博士参与编著的《仿生超浸润界面》为核心，在公众号上展开为期6期的仿生超浸润界面专题科普，希望为读者带来一些科学、文化、前瞻的启发。敬请持续关注公众号最新动态~
特殊浸润性在诸多新兴领域的应用得到了人们的广泛关注。随着科技发展，众多跨领域新概念如固-液纳米发电机、量子限域离子超流体等被提出并得到深度研究。本章节将重点介绍一些新概念所涉及的科学研究及相关应用，包括水能收集与纳米发电机、热管理、离子通道与盐差发电、两亲性超分子等，可作为拓展内容浏览、了解。
水能收集借助水动力学实现能量的收集和/或转换，主要表现形式为将水的机械能（动能和/或重力势能）转化为更实用的能量（如电能）。借助超浸润材料，可实现上述能量转换或提升能量转化效率。
在超亲水表面，由于表面能高，水会迅速扩散形成薄膜；在超疏水或光滑的表面上，液滴行为如飞溅、弹跳或定向运动等较易控制。如 表1 所列，有研究者将一些介电材料与这两类表面结合，促进机械能的转化以达到收集水能的目的；基于环保、清洁能源考量，相关研究多借助自然界中尚未被开发利用的水（如雨滴、海浪）作为能量来源。
表1 基于超浸润界面的水能收集应用总结
基于超浸润界面与相应介电材料结合用于发电的装置，属于固-液纳米发电机，该概念于2014年左右被提出，自2018年至今相关研究较常见于国际顶尖期刊报道。表1 及下文主要涉及压电纳米发电机（piezoelectric nanogenerator，PENG）、摩擦生电纳米发电机（triboelectric nanogenerator，TENG），其他常见的纳米发电机还有热释电纳米发电机（pyroelectric nanogenerator，PyNG）等。
将雨滴能量转化为电能通常使用压电材料，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）、锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）等，借助在雨滴冲击下的压电悬臂梁或桥梁实现。Hao 等研究表明，超疏水表面有助于在水滴飞溅时收集更多能量；与其他表面相比，它们的发电效率通常更高。如 图1 所示，该压电纳米发电机最高输出电压达6V，可为一些小型电子设备供电。
图1 压电材料结合超疏水界面收集雨滴动能发电实例
SH—超疏水；H—疏水
使用具有较强摩擦作用的弹性电活性材料（介电弹性体）如一些橡胶材料，利用其摩擦生电效应，可将波浪能转化为电能。Zaltariov 等研究了天然或合成橡胶在海水或盐水中浸润的长期稳定性以及基于橡胶材料的波浪能收集设备对海洋环境的影响。研究表明，大多数橡胶收集器在海水环境中稳定耐用，并且对微生物无明显有害影响。Li 等以电极为基底开发了高摩擦性的聚丙烯（PP）薄膜涂层，如 图2 所示，提高涂层疏水性可增加电力输出，他们认为这是由于波浪后撤时，疏水性有利于减少液体残留，可促进电荷的分离和收集。
图2 摩擦生电材料结合超疏水界面收集波浪能发电示例
利用摩擦生电效应，理论上超亲水表面可比具有类似形貌的超疏水表面产生更多电荷，这是因为超亲水表面与水具有更大的接触面积，可增强摩擦作用，促进摩擦生电材料的电荷产生；然而，超亲水性会导致表面残留一层薄膜或液体，这对随后的发电产生副作用。
为规避这一现象，Xu 等使用覆盖氧化铟锡（ITO）的聚四氟乙烯（PTFE）薄膜作为基底，构建了超滑含液界面（slipperyliquid-infusedporoussurface，SLIPS）用于水能收集研究。
SLIPS的可变浸润性不仅可切换亲水的高摩擦以促进电荷产生，还能切换超滑界面在后续过程中减少液体残留以改善电荷积累情况。2020年，Wang 等将类似材料连接到铝电极，该电极可以在充电过程中收集雨滴、自来水或海水的机械能，并能实现比受界面效应限制的对照电极高数百倍的瞬时功率密度。如 图3 所示，该材料体系输出电压可高达150V左右，能为一些大功率家用电器供电。
图3 摩擦生电材料结合SLIPS界面收集水能发电新突破
此外，在不借助外部因素的情况下，超浸润材料还可以将自身的表面能转化为液体动能，进而用于发电。例如，Milijkovic 等利用带电液滴在超疏水的氧化铜表面和亲水的铜表面之间反复弹跳来发电。Gao 等在具有几何梯度的超疏水铜表面上利用类似液滴弹跳原理发电，对比无梯度浸润结构界面具有更高的能量转换率。
能源装置中采用超浸润材料，利用表面能操控液体被认为是一种有前途的、环保的、低成本方法，有待于进一步研究发展。相关能源装置在设计时，基于超浸润界面还可与其他功能结合，例如防腐蚀、防冰、雾水收集或/和油水分离等。
热管理涉及控制温度、热力学等技术。水被认为是一种良好的热载体，因为它具有高比热容和高汽化潜热。如 表2 所列，在热管理相关技术中，借助超浸润表面已成为一种新的研究趋势，可将未利用能源转化为液体动能。例如，可借助Leidenfrost效应，即液滴在过热表面上可发生弹跳等行为，并可通过温度、压力、表面形貌和浸润性进行控制。
表2 基于超浸润界面的热管理应用总结
冷凝传热是一种重要的热转移技术，根据不同超浸润原理可分为滴控制冷凝传热技术（drop-wise condensation heat transfer）和膜控制冷凝传热技术（film-wise condensation heat transfer）。如 表2 介绍，它们分别利用超疏水表面上液滴快速移动实现转移传热，或超亲水表面上液滴扩散形成水膜并借助薄膜传热。
最新研究主要专注于将两者结合以提高传热效率和操纵液滴行为，即采用Janus界面等二元协同纳米界面材料。例如，Lo 等开发了一种具有高传热系数（高达655kW/m2 ）的三维异质微纳结构表面，如 图4 所示，其性能优于现有单一的超亲/疏水表面。Preston 等指出，可通过操控液滴弹跳等行为提高冷凝传热效率。
图4 冷凝传热相关技术效果比较示例
使用热释电材料，液滴行为诱导的热力学效应可用于发电。随着超浸润界面的迅速发展，太阳能相关技术再次引发前沿研究人员的关注。太阳能蒸汽产生技术（solar steam/vapor generation）过去主要属于一种水净化技术（如海水淡化），现相关技术可以直接应用于设计基于热释电材料的蒸汽发电系统，如 图5 所示。有趣的是，“solar steam/vapor generation”词组中的“generation”原指“产生”，词组本意为借助太阳能产生蒸汽；而英语单词“generation”本也有“发电”的释义，据此也可“误解”为太阳能蒸汽用于发电。
图5 太阳能蒸汽产生及发电相关技术示意
在太阳能相关能量转换应用研究中，碳纳米材料如碳纳米管（CNT）和还原氧化石墨烯（rGO），因具有高比表面积和优异的太阳能/光吸收性能而被广泛应用。Wang 等开发了一种基于光热rGO-CNT的纳米复合材料用于太阳能驱动的水蒸发。他们发现亲水的微纳米结构可改善水在界面上的扩散，有助于提高蒸发性能 [1阳光照射单位下效率达65%，速率为1.23kg/（m2·h）]，高于其他材料设计体系的性能指标 [类似条件下通常为0.6～1.2kg/（m2·h）］。
Mu 等开发了具有更高蒸发效率的超亲水碳纳米管气凝胶，即在1阳光照射单位下效率高达87%，速率达1.44kg/（m2·h）。他们认为，材料所具有的超亲水性，相较于一般亲水性更有助于水分子的快速传输（例如，液体浸渍过程的持续时间减少了60%以上）。在利用太阳能蒸汽发电方面，Zhang 等综述了相关技术并进行了总结，他们指出借助碳纳米材料上的水蒸发可有效提高PyNG的输出电压。
利用微纳米界面特殊浸润性的通道（如分子通道、离子通道等），可促进选择性或低能耗的快速传质行为，本书将其归于超浸润界面范畴。2018年前后，江 等引入了“量子限域超流体（quantum-confined superfluid，QSF）”概念，用于描述在生物纳米通道中观察到的具有高通量、超快传输速率和低能量损失的焓驱动的受限有序流体。
最早的人工分子/原子超流体可追溯到20世纪30年代，Kapitsa 和 Allen 观察到，温度低于2.17K时，流体4He在流动过程中几乎没有动能损失（接近零黏度）；随着毛细管通道直径的减小，其通过速度会迅速增加。Allen 等进一步指出当毛细管直径小于100nm时，4He的流动速度取决于环境温度，与压力或通道长度无关（图6）。
图6 穿过直径小于100nm的通道的4He超流体传输示意
这种量子限域分子超流体可在通道大小与分子之间的范德华平衡距离（r0）相当时实现。当通道的大小接近离子的德拜长度（Debye length，λD；当研究尺度大于德拜长度时，可将整体看作是电中性的，反之则应看作有电荷分布）时，可在生物或人造通道中发现量子限域离子超流体。一个典型的生物学例子是电鳗，其可在20ms内产生约600V的高电位和约500A/m2的电流密度（图7）。
这主要是因为电鳗产生的离子可以通过细胞表面的钠离子（Na+）通道和钾离子（K+）通道以超流体的形式高效快速地传输。并且因为离子通道电阻非常小，相应的能量消耗也非常低，电鳗并不会受到该过程中的高电流密度影响。
图7 嵌入电鳗电细胞中的K+通道具有不对称结构
可基于金属有机框架（MOF）材料构造仿生通道，实现超快速离子传输。如 图8 所示，具有亚纳米离子传导孔结构的多孔ZIF-8 [Zn(2-methylimidazolate)2] 膜（孔径约0.34nm）可以表现出高离子选择性（LiCl/RbCl≈4.6）和超快离子传输速率（106～108个/s）。
在液相中，反离子（counter-ions，也称为异号离子）和共离子（co-ions）在微通道的传输受到无序熵驱动的离子扩散的控制。然而，如通道直径减小到德拜长度（λD）的两倍左右，通道中只有相对有序的反离子，没有共离子。如果通道直径进一步减小到德拜长度（λD），通道中的反离子将形成有序链，从而可在零能量损失的情况下实现由焓驱动的超快传输。因此，无论是在生物通道还是人工通道中，量子限域离子超流体都表现出高通量和低能耗的特性。
图8 具有亚纳米孔的 MOF 作为人工K+通道以高选择性超快传输碱金属离子
随着量子限域离子超流体的发展，其在能源领域的重要地位不断提升。超流体可应用于锂电池，在锂电池的充放电过程中，二维受限层状结构中锂的氧化还原反应具有超密、有序和超流动的特性，可产生高能量密度和实现快速充放电。
Kühne 等通过原位透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）观察和密度泛函理论（density functional theory，DFT）计算证明，锂电池中双层石墨烯片间锂的可逆超密排布可作为锂电池高存储容量的来源（图9）。
此外，在充电或放电过程中，锂离子在二维受限通道（通道直径为锂离子的λD）中将以超流体的形式传输。这种二维受限通道中的QSF离子传输是锂电池快速充放电过程的关键因素，其效率显著高于基于离子扩散的充放电过程。
图9 锂电池快速充放电设备示意
基于上述原理，研究人员相继开发了各类电极材料，通过二维通道结构实现了锂离子的低能耗和超快速传输（图10）。例如，Lin 等通过将熔融锂注入具有纳米级间隙的层状rGO薄膜制备了一种复合锂金属阳极/负极。该阳极不仅可以保持高达约3390mAh/g的容量，还表现出低过电位（约80mV，在电流面密度 3mA/cm2时）和碳酸盐电解质中的平坦电压曲线。
具有扩展原子层状结构的二硫化钼（MoS2）纳米粒子作为一种赝电容电极材料，同样被用于制造锂电池阳极/负极材料，并实现了5.3kW/kg的最大功率密度（具有6W·h/kg能量密度）和37/W·h/kg的最大能量密度（具有74W/kg功率密度）。
长度为数百纳米、宽度约为10nm的板钛矿型二氧化钛（TiO2-B）纳米线能在锂嵌入过程中具备优异的电子/离子传输特性和反应动力学，因而在作为锂离子电池的负极材料时可以表现出非凡的倍率性能（即快速充放电）。
此外，高倍率性能的阴极材料同样也受到关注。例如，Tang 等发现100nm具有珠状结构的锰酸锂（LiMn2O4）纳米链，其由于独特的亚纳米通道结构，可作为锂离子电池的高倍率阴极材料，有广阔的应用前景。 An 等证明了具有磷酸铁锂（LiFePO4）纳米颗粒（其中包裹有氮、硫共掺杂石墨烯）的锂电池，由于其亚纳米通道中锂离子传输速率的增加，因而可以实现锂离子电池的超高倍率性能和长寿命。
除此之外，具有纳米级电池参数的纳米晶钴酸锂（LiCoO2）也被用作阴极以实现高倍率锂离子嵌入。
图10 二维层状结构的正负电极材料
上述研究表明，通过控制离子通道的直径和形成高通量及低能量损失的离子超流体，将超浸润界面与定向离子流发电相结合，可以实现高能量转换效率。盐度梯度（简称盐差，salinity gradients；也称作“蓝色能量”，blueenergy）是一种可再生能源，大量存在于海洋和河流之间的界面。
通过反向电渗析（reverse electrodialysis，RED）可将盐度梯度（化学能）转化为电能。当两种不同浓度的盐溶液通过选择性离子渗透膜连接时，膜会产生净电流，该电流仅允许反离子通过（图11）。这种能量转换器的核心结构是离子渗透膜表面的离子通道。传统的离子通道具有对称结构，在能量转换过程中，反离子会在稀溶液一侧富集，这会抑制共离子的有效传输，降低效率。
研究人员发现电鳗在电击过程中不受这种限制的影响。进一步研究表明，这主要是电鳗细胞中K+通道的不对称结构造成的，膜上的相反电荷可以有效地阻止反离子在其附近的稀溶液中积累。这种结构使细胞膜上的K+通道能够持续快速地向内整流K+，从而产生高电流（图11）。
图11 异质结构离子选择性交换膜示意
基于不对称结构的离子通道，具有各种尺寸和材料的单向离子传输特性的异质膜被陆续开发出来（图12）。例如，Gao 等使用介孔碳（孔径约7nm，带负电）和大孔氧化铝（孔径约80nm，带正电）构建大孔异质膜。这种介孔/大孔膜可以在高浓度或饱和盐溶液中实现离子的连续精馏，分离相对挥发度约为450，当把海水通过膜引入河水中时，功率密度可达3.46W/m2。
为解决离子选择性膜电阻高和离子选择性不良等问题，Zhang 等使用两种嵌段共聚物的相分离，制备超薄（约500nm）离子选择性Janus膜，其功率密度约为2.04W/m2。此外，Zhu 等通过复合两种离聚物制备了表面电荷密度和孔隙率可调的Janus膜。该膜首次在高盐度环境下实现了离子整流，有效解决了膜的选择性和转换效率会随着盐度梯度的增加而减小这一难题。基于这种膜的发电机，在混合海水和河水环境中实现了2.66W/m2的输出功率密度；而在盐湖流入河水环境中，盐度梯度提升500倍，输出功率密度达到5.10W/m2。
为了降低离子交换膜的成本，Wu 等开发了一种使用天然木材制备低成本反渗透（RE）离子交换膜的技术，通过对木质纤维素链上的羟基进行简单修饰，可以实现高达9.8V的输出电压。
为了提高离子交换膜的界面传输效率，Zhang 等通过混合聚电解质水凝胶和芳纶纳米纤维膜构筑的异质膜实现了渗透能的高效转换，当用于混合海水和河水中获取渗透能时，其功率密度达到5.06W/m2。
图12 用于盐度梯度能量收集的具有智能离子通道的仿生膜
2016年，诺贝尔化学奖授予超分子化学领域，由 Jean-Pierre Sauvage，J. Fraser Stoddart 和 Bernard L. Feringa 三位科学家共享，以表彰他们在分子机器方面的卓越贡献。作为一门新兴的交叉学科，超分子化学在世界范围内逐渐受到广泛关注，主要研究通过非共价键作用的分子聚集体的结构、功能。
在超分子化学中，不同类型的分子间相互作用可以根据它们不同的强弱程度、取向以及对距离和角度的依赖程度区分，即可分为金属离子的配位键、氢键、π-π 堆积作用、静电作用、疏水作用等，例如脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构、水分子之间的氢键作用等。
其中，对于超分子主客体化学的研究非常深入和广泛，包括经典的、不同性质的大环主体分子，如冠醚（crown ether）、环糊精（cyclodextrin）、杯芳烃（calixarene）、葫芦脲（cucurbituril）、柱芳烃（pillararene）。这些大环主体，由于其具有普适性的结构和多样化的功能，在超分子化学乃至整个化学领域的研究中的地位举足轻重。
两亲性超分子化合物同时具有亲水基、亲脂基，在微观尺度可借助非共价作用力实现浸润性调控，在宏观尺度上可通过自组装形成不同浸润性界面结构，符合二元协同纳米界面材料相关思想。在微观尺度上，超分子内部的亲水、疏水作用在一些材料制备过程中（如自组装）起到重要作用。利用相关性质可制备功能材料，如刺激响应纳米材料、MOF等多孔材料、纳米孔/离子通道、医药用材料等。
超分子聚合物材料是高分子科学和超分子化学完美结合的产物，它不仅具有传统高分子材料固有的机械、光、电、热、力学等性能，还具有由非共价键力带来的动态可逆性和外界环境的刺激响应性，是一种具有优越性能的材料。
环糊精分子空腔外部有着亲水性的羟基，然而其空腔内部却是疏水的，这一特性使得它们无论是溶液状态下还是固态条件下都可以通过疏水作用和范德华力与多种客体分子形成包合物。
2017年，Yuan 等报道了用可逆加成-断裂链转移聚合（reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization，RAFT）一步合成环糊精/苯乙烯纳米管配合物的方法并研究了其在水中的分散聚合（图13）。所得到的两亲性PEG-b-PS二嵌段共聚物原位自组装成不同形貌的纳米粒子，在适当条件下可控地形成球体（spheres）、蠕虫状（rods）、薄片（lamellaes）和纳米管（nanotubes）等组装形态。
由于复合作用存在，聚苯乙烯嵌段在自由苯乙烯作用下的溶胀程度受到限制，导致聚苯乙烯链的流动性受到限制，因此得到了动态捕获的薄片和纳米管。在纳米管的形成过程中，小的囊泡首先在带状片层的末端形成，然后生长并融合成具有有限链重排的纳米管。引入基于环糊精的主客体相互作用，可能使水分散从而能够发生非水溶性单体的聚合，并产生动力学捕获的纳米结构，有望成为纳米材料制备的新科技。
图13 CD/St复合物在水中RAFT聚合分散的示例
2017年，Liu 等通过金刚烷修饰的二苯丙氨酸与偶氮苯桥联的双（β-环糊精）的超分子组装结构，构建了一个光控、可转换的超分子二维纳米片/一维纳米管体系（图14）。纳米片显示出比纳米管更大的荧光增强效应。
值得注意的是，这些纳米片和纳米管可以通过双（β-环糊精）中偶氮苯连接物的光控制顺/反异构化并进一步相互转化，并且这种光控开关的一维/二维形态相互转化是可逆的。这使得通过外部刺激可以方便地获得各种形貌和尺寸的高度有序纳米结构。
图14 超分子二维纳米片/一维纳米管体系示例
在磺化杯芳烃中观察到基于杯芳烃的诱导聚集现象（CIA），该现象能通过降低两亲性客体的临界聚集浓度，提高聚集稳定性，促进两亲性客体的聚集。2014年，Liu 等结合聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）和CIA的优点，通过季铵盐修饰的四苯乙烯（QA-TPE）和磺化 [4] 杯芳烃（SC4A）的自组装，制备了独特的水溶性荧光有机纳米粒子（图15）。
QA-TPE是一个典型的哑铃状两亲性分子，能在溶液中自组装形成胶束。值得注意的是，游离的QA-TPE聚集体的荧光强度较低，因为聚集体非常松散，而且由于末端QA基团之间的静电排斥，很容易实现苯环的分子内旋转。加入SC4A后，由于主客体络合引起组装体的临界聚集浓度降低，AIE荧光明显增强。
QA-TPE与SC4A之间的主客体相互作用和静电相互作用是造成AIE现象的原因。形成主客复合物后，超两亲自组装成多层纳米粒子。由于主客体相互作用、静电作用、π-π 堆积以及疏水作用的协同作用，这些紧密聚集体表现出明显的AIE荧光。
TPE衍生物可环化成二苯基菲（DPP），因此在紫外线照射下表现出聚集诱导猝灭（ACQ）。利用TPE的光反应性，实现了对游离QA-TPE和自组装纳米粒子的荧光调控。这一研究结果为构建丰富刺激调节的荧光有机纳米颗粒体系提供了一种可能的途径。
2021年，Liu 等进一步对该体系进行改进。利用四苯乙烯衍生物和SC4A末端亲水基团的相互作用，结合硫化物荧光探针形成的两亲超分子组装体，构建了光捕获体系。该体系在硫化物存在情况下显示出优异的信号输出功能，实现并拓展了其在荧光探针领域的应用。
图15 在SC4A缺失和存在时，肉豆荚酰胆碱的两亲性组装示例
通过引入有机大环主体到MOF材料中可以制备具有活性结构的扩展框架。柱芳烃作为一类新型大环主体，具有空腔结构，通过把它引入MOF材料中，与特定的客体相互作用，可实现对某些特定物质的分离。
2020年，Christoph Janiak 等提出了一种使用葫芦脲大环通过初湿浸渍法将功能性多孔有机笼（porous organic cages，POC）封装到坚固的MOF中的简便方法（图16）。具有高CO2亲和力的多孔葫芦[6]脲（CB6）笼被成功封装到基于金属铬的MIL-101的纳米空间中，同时保留了MIL-101的晶体框架、形态和高稳定性。其中，封装的CB6量是可控制的。
重要的是，由于具有固有微孔的CB6分子小于MIL-101的内部中孔，因此在所得的CB6@MIL-101复合物中产生了更多的CO2亲和力位点，从而提高了在CO2、N2混合气体中对CO2的吸收能力，以及低压下在CO2、CH4混合气体中对CO2的分离性能。他们希望通过这种简便的方法获得具有高孔隙率和稳定性的POC基杂化材料，而又不牺牲POC的固有特性。这种POC@MOF封装策略提供了一种简便的途径，可以将功能性POC引入稳定的MOF中，以用于各种潜在应用。
图16 通过将CB6结合到基于Cr的MIL-101中的功能杂化材料
固态纳米流体孔由于其结构和化学性质与模拟生命系统中生物过程的生物离子通道相似，引起了科学界的广泛关注。与离子通道相比，合成纳米孔具有很高的稳定性，它们可以控制孔尺寸、几何形状，并且可以根据需要调整其表面化学性质。因此，它们被认为是通过在内孔表面引入各种功能部分来设计和开发纳米流体传感装置的理想选择。
2018年，Ensinger 等提出了一种在微环境中使用开链聚醚衍生物识别钾离子（K+）的纳米流体孔（图17），为此合成了胺封端的开链聚醚衍生物（bis-podande-NH2），并与在聚合物膜中制备的单个圆锥形纳米孔壁上的羧酸基团共价偶联。在存在钾离子的情况下，固定在孔壁上的二元部分形成了对K+特异性结合的识别域。
由于在孔表面上形成带正电的bis-podande-K+复合物，所以仅在侵入氯化钾溶液时才注意到整流离子通量的变化。相反，对于其他碱金属氯化物溶液，仅观察到离子电流整流的微小变化。
该装置提供了一种新策略，可以通过简单地改变聚乙二醇单元的长度来开发和小型化不同的基于纳米流体孔的传感器，以便有效地检测其他阳离子或阴离子。
图17 生物识别K+的纳米流体孔
基于柱芳烃的易于修饰和丰富的主客体性质，可以考虑设计和制备两亲的柱芳烃主体和两亲的主客体络合物。这些两亲的主体或者络合物可以在亲水或者疏水的溶剂中形成各种各样的超分子聚集体。
如 图18 所示，两亲性柱[5]芳烃通过化学修饰，使其一侧包含了五个氨基（作为亲水的“头”），另一侧则为五个烷基链（组成疏水的“尾巴”）；一开始在水中自组装成双层的囊泡，接着慢慢转变成项链状和片状的结构。这两个结构进一步组装成微管结构，并可应用于爆炸物三硝基甲苯（TNT）的吸附。
图18 两亲性柱芳烃自组装过程示意
利用柱[5]芳烃的柱状结构可发展各种各样的单分子通道。首先，全酯的柱[5]芳烃可组装成无限的一维通道，并且在该通道里可发现有序的水线，如 图19 所示。其次，可把该全酯柱[5]芳烃嵌入磷脂双分子层中，用作水通道。柱[5]芳烃在磷脂双分子层中的组装和解组装作为水通道的开关，两分子柱[5]芳烃组装形成的水通道的电导率为44pS，而分散的柱[5]芳烃并不能作为水通道。该水通道可取代单分子通道在水净化中的用途，并可保留其选择性快速传输水的能力。
2020年，Zeng 等采用“黏性末端”介导的分子策略构建了非生物单分子水通道，每个水通道每秒能够传输约3×109个水分子，并具有很高的NaCl和KCl排斥率。
图19 由柱[5]芳烃介导的从外到内的水运输引起的囊泡大小增加的示例
柱芳烃易于官能团化的特点可以提高它们与无机材料（如：金属纳米粒子、纳米碳和MOF）的兼容性。柱芳烃修饰上氨基、羧基或者巯基之后，可以在纳米尺度下被用来稳定金属粒子，阻止它们在金属表面通过配位相互作用团聚；并可进一步利用柱芳烃的空腔捕获客体分子，诱导形成的纳米粒子组装成形状多样的多维聚集体。
2018年，Du 等利用全羟基柱[5]芳烃（HP5）在水溶液中还原四氯化金离子（AuCl4- ），而形成的金原子与兼具稳定剂作用的HP5形成单分散纳米粒子（HP5@AuNPs）如 图20 所示。
经研究发现，HP5上的羟基被氧化为疏水性的羧基，从而实现与金原子的界面结合。形成的HP5@AuNPs由于表面疏水性可在溶液中自组装形成1D纳米管、2D纳米面和囊泡等；此外，该体系基于竞争性主客体相互作用可作为荧光开启传感器的能量受体，在4-硝基苯酚的还原反应中展示出优异的催化活性。
配体因其独特的物化性质可以保护原子精确纳米簇。2019年，Khashab 等利用基于柱[5]芳烃的主体配体封装功能化银纳米簇（图21），并可在长达四个月的时间内保持稳定，这主要归功于柱[5]芳烃单官能团化的含硫（S）疏水基团与银表面的结合。
进一步研究发现，该体系中柱[5]芳烃的疏水空腔与季铵盐的疏水烷基链可发生相互作用，两者形成主客体络合物后，具有极高的荧光增强效果，这为特定客体的选择性和分子识别研究提供了一种新的研究思路。
图20 HP5稳定金纳米粒子及其超分子自组装体示例
图21 柱芳烃稳定的银纳米簇及其与季铵盐结合后荧光增强的示意
此外，用全羧酸的柱芳烃来作为稳定剂可制备具有狭窄宽度分布的银纳米粒子，加入精胺类物质到该体系会导致银纳米粒子的聚集，溶液颜色发生改变。溶液颜色的改变主要是因为精胺可以作为一个交联剂与银纳米粒子上的柱[5]芳烃发生主客体络合去连接单独的银纳米粒子，这个颜色变化的特性可以用于检测水中精胺类物质（图22）。
图22 水溶性柱芳烃稳定的银纳米粒子用于检测精胺类物质
在刺激响应的药物传输体系中，胶束、囊泡、水凝胶等组装体都可以作为运输工具将药物输送到特定的环境里，并且在光、温度、酸碱、超声以及氧化还原等刺激下组装体结构被破坏，包裹的药物分子就被释放出来。
两亲超分子由于其非共价作用力的动态可逆性，其形貌规则的组装体被广泛用于构筑刺激响应药物传输体系。例如，2014年Ji 等基于葫芦脲主客体识别机理研发了一种超分子胶束，它可以包裹抗癌药物阿霉素（DOX），并在刺激下将药物释放（图23）。他们合成了亲水的聚环氧乙烷（PEO）和疏水的聚乳酸（PLA），末端分别修饰两种客体分子，加入葫芦[8]脲大环主客体后，由于三元主客体络合物的形成，两种高分子自组装成超分子两亲性聚合物，并在水中组装成胶束结构。胶束的内核是疏水的，DOX也是疏水的，因此DOX可以被包裹在胶束里面。又由于主客体复合物能被还原剂破坏，所以往体系里加入还原剂连二亚硫酸钠（Na2S2O4）后胶束结构被破坏，DOX可被释放出来。
图23 超分子胶束药物控制释放示例
2016年，Huang 等开发了一种基于柱[5]芳烃的新型主客体分子识别模式，并利用电荷转移相互作用和疏水相互作用，成功制备了基于柱[5]芳烃的两亲性超分子刷状共聚物（图24）。核壳结构的纳米粒子可用作药物传送体系来封装抗癌药阿霉素（DOX），形成双荧光猝灭的Förster共振能量转移（FRET）系统，其中四苯乙烯（TPE）基团充当供体荧光团，而在细胞内还原酶和低pH值的作用下，负载的药物分子DOX则被释放出来。结果，TPE和DOX之间的能量转移中继（ETR）效应被中断，猝灭的荧光恢复，通过观察能量转移的位置和荧光变化幅度实现了药物释放的原位可视化。
图24 两亲性超分子刷状共聚物
由于柱芳烃良好的生物相容性以及易于形成两亲分子而进行自组装，2021年，Azzazy 等综述了单一和/或多重刺激响应功能化两亲性柱[n]芳烃，即在水环境条件下，与疏水药物形成纳米器件组装体，可实现高效癌症治疗等功能。