基于二维材料膜构筑纳米流体通道的研究进展

李佩珊，张梦辰，李铭杰，郑文镳，刘敏超，谢高艺，徐晓龙，刘长宇，郏建波

（五邑大学生物科技与大健康学院，广东 江门 529020）

纳米尺度下流体的流动特性以及传质问题近年来引起了研究者们的广泛兴趣。纳米流体与宏观流体截然不同的传质行为和现象为物理、化学、材料、能源、生物等领域带来了前所未有的创新机遇。自然界中的生物纳米通道可以精密调节分子/离子高效、选择性地跨膜传输，在生命体内发挥关键作用。从生物纳米通道中获取灵感，研究者们在开发人工纳米流体通道方面作出了许多努力。聚合物纳米孔、无机纳米管等已被报道用于人工纳米流体通道的构筑，并表现出快速传输、选择筛分、灵敏传感、刺激响应等优越功能，在分子/离子筛分、气体分离、生物/化学传感/检测、DNA 测序、能源储存与转换等领域具有巨大应用潜力。

构筑集成的纳米流体通道是纳米流体研究的基础问题。多样化的二维（2D）材料，如石墨烯、氧化石墨烯（GO）、氮化硼（h-BN）、类石墨相氮化碳（g-CN）、过渡金属碳/氮化物（MXenes）、过渡金属二硫化物（TMDs）、层状双金属氢氧化物（LDHs）、2D 分子筛、2D金属-有机框架（2D MOFs）、2D共价-有机框架（2D COFs）等的出现和兴起，以及这些2D 材料膜的快速发展，开创了纳米流体研究的新时代。基于2D 材料膜构筑纳米流体通道具备以下几点突出优势：①2D 材料膜能够通过简单的方法构筑高通量的集成纳米流体通道；②2D 材料膜能够提供尺寸精确可控的规整纳米流体通道；③2D 材料膜能够对纳米流体通道进行灵活改性，使其适合各种应用；④2D 材料膜构筑的纳米流体通道便于理论建模，能够为深入探索纳米流体传输行为与机理提供研究平台。本文旨在对基于2D 材料膜的纳米流体通道构筑和调控进行综述，并对其未来的发展方向进行展望。

1 2D材料膜纳米流体通道的构筑

2D 材料是指在一个维度上的物理尺寸在纳米尺度而在另外两个维度上的物理尺寸都远大于纳米尺度的材料。2D 材料独特的结构特性为2D 材料膜开发和纳米流体研究提供了极具潜力的基础平台。

2D 材料多孔膜和2D 材料叠层膜是2D 材料膜的两种基本类型。前者主要利用2D 纳米片自身分子组装而成的本征孔或是在激光等条件下制造出的人工孔作为纳米流体通道，而后者主要利用2D 纳米片有序平行堆叠组装形成的层间通道作为纳米流体通道。本节主要描述了代表性的2D 材料膜纳米流体通道的构筑方法。

1.1 2D材料多孔膜构筑纳米流体通道

可靠的2D 纳米片制备和可控的多孔结构制造对2D 材料多孔膜构筑纳米流体通道至关重要。2D 纳米片的制备方法主要分为“自上而下”、“自下而上”和人工造孔三种策略。

1.1.1 “自上而下”策略制备2D材料多孔膜

“自上而下”策略是通过破坏2D材料层间弱分子间相互作用，从层状体相材料中剥离出2D 纳米片。典型的“自上而下”策略制备2D 材料多孔膜手段包括微机械剥离和液相剥离。Novoselov等使用微机械剥离法，利用胶带破坏块状晶体片层间范德华力，成功分离出单层石墨烯[图1(a)]。微机械剥离法在制备过程中未引入化学物质，得到的2D纳米片表面洁净，但是该方法存在效率低、不可控等缺点。液相剥离法是将层状块体材料分散在溶液媒介中，引入合适的外力将2D材料的层间打开，可以方便地剥离出具有较大横向尺寸的单层或少层2D 纳米片。Paton 等在液相中对块体材料施加超声和剪切力等机械力进行辅助液相剥离[图1(b)]。通过离子插入、离子交换、氧化反应、选择性刻蚀等方式来削弱层间相互作用，可以进一步辅助液相剥离[图1(c)]。这些方法已被广泛用于制备GO、MXenes、TMDs 和LDHs 等2D 纳米片。然而通过“自上而下”策略剥离2D纳米片受到体相材料需要具备层状结构的限制，并且在剥离过程中可能会破坏材料的结构完整性。

图1 “自上而下”策略制备2D纳米片[20,23-24]

1.1.2 “自下而上”策略制备2D材料多孔膜

“自下而上”策略是在特定反应条件下通过前体的化学反应形成2D 共价纳米结构网络，理论上具有更好的普适性和可控性。典型的“自下而上”策略制备2D 材料多孔膜手段包括化学气相沉积（CVD）和湿化学合成。CVD 法将气相前体通入管式炉内腔，在衬底表面上进行化学反应生成2D 纳米片[图2(a)]，是合成石墨烯、h-BN、TMDs 等2D纳米片的可靠方法。通过改变CVD法的衬底、前体、催化剂、反应温度、反应气氛等实验条件，可以精确控制2D 纳米片的层数、结晶性、横向尺寸等结构参数，实现高质量可控合成。然而2D 纳米片难以从衬底上完美转移，且操作繁琐、成本较高、产量较低。作为一种替代方案，湿化学合成法由于其良好的可控性、再现性和可扩展性被广泛应用，特别是应用于2D 材料中非层状多孔骨架结构材料的制备[图2(b)]。湿化学合成法包括水热法、模板法、自组装法、界面法等。Jeon等使用纳米晶种生长法成功制备了高纵横比的2D MFI 型沸石纳米片。Makiura等将逐层生长和Langmuir-Blodgett 方法相结合，在固体支撑体上制备出完美定向的2D MOFs 纳米片[图2(c)]。通过选择合适的合成单体和反应条件，2D 材料多孔膜还可以在各种固-液/液-液/气-液界面上直接制备[图2(d)]。

图2 “自下而上”策略制备2D纳米片[25,29-31]

1.1.3 人工造孔策略制备2D材料多孔膜

与本征多孔2D纳米片不同，完美无孔2D纳米片几乎是不可渗透的，需要通过人工造孔策略构筑纳米流体通道。研究者们采用多种物理和化学方法，如聚焦电子束轰击、聚焦离子束辐照、氧等离子体蚀刻、紫外诱导氧化蚀刻和化学蚀刻等，在单层或少层石墨烯纳米片上人工造孔以获得2D石墨烯多孔膜。Celebi等使用聚焦离子束辐照技术对石墨烯纳米片进行打孔[图3(a)]，孔径范围可控制在10nm～1μm。Mahurin 等提出氧等离子体蚀刻方法[图3(b)]，也实现了单层石墨烯上直径可调的纳米级孔制备。然而这些2D石墨烯多孔膜的有效面积较小且制备使用的仪器昂贵。相比之下，化学蚀刻方法操作简单且成本较低，更适用于大规模造孔。KOH、HNO、HO和金属氧化物等常用于化学蚀刻制备2D石墨烯多孔膜[图3(c)、(d)]。此外，其他2D 纳米片，如h-BN、MoS和g-CN等，也被报道通过人工造孔策略制备得到2D 材料多孔膜。这些纳米孔道赋予了2D 纳米片出色的分子传输和筛分能力，使其成为构筑纳米流体通道的理想材料。

图3 人工造孔策略制备2D材料多孔膜[33-34,37-38]

1.2 2D材料叠层膜构筑纳米流体通道

1.2.1 范德华组装策略制备2D材料叠层膜

2D 材料多孔膜的本征或人造孔可以直接作为纳米流体通道，然而目前批量制备大面积、孔径均一、结构稳定的2D 材料多孔膜仍然面临许多技术挑战。利用2D 材料横向尺寸远大于厚度的特点，可以将2D 纳米片有序堆叠组装形成层状结构，从而构筑层间2D 纳米流体通道用于快速选择性地传输流体分子/离子。

将2D 纳米片按照一定的顺序，如同乐高积木般依次进行范德华组装[图4(a)]，可以得到双层或少层结构的2D材料叠层膜。强共价键提供2D晶体的层内稳定，而范德华作用维持2D 通道的层间连接。Radha 等在范德华组装构筑纳米流体通道方面作出了杰出贡献，他们通过范德华组装制备了单个纳米流体通道[图4(b)]，通道的顶部和底部是单原子厚度的石墨烯纳米片，通道的尺寸可以通过间隔纳米片的层数精确控制。以范德华组装构筑的2D 纳米流体通道为研究平台，纳米流体在限域通道内独特的传输行为和传质现象逐渐被发现，包括水分子在具有原子级精度的2D 纳米流体通道中的低摩擦高速流动、水分子在纳米受限空间内的异常物理性质和结构变化、气体分子在2D 纳米流体通道内的镜面反射和弹道传输以及纳米尺度下的离子库仑阻塞效应等。利用范德华作用组装构筑纳米流体通道的方法为2D 材料整合提供了无化学键的新策略，突破了材料晶格和加工工艺的制约，特别是能够方便地实现不同2D材料整合制备2D范德华异质结构。

图4 范德华组装策略制备2D材料叠层膜[39-40]

1.2.2 液相组装策略制备2D材料叠层膜

液相组装是2D 材料叠层膜最简单常用的制备方法。液相中分散良好的2D 纳米片在内部的范德华作用、静电相互作用和氢键作用以及外部的压力、离心力和剪切力等共同诱导下，有序堆叠形成具有大量平行排列纳米流体通道的2D 材料叠层膜。液相组装策略制备2D材料叠层膜主要包括真空/加压过滤组装、涂覆组装等。

Dikin 等在2007 年首次报道了通过真空过滤制备自支撑GO纸状薄膜，发现其具有规整的层状结构和精密的层间通道，在宏观上也表现出优异的柔韧性。膜制备过程的驱动力、沉积速率和支撑体效应等制膜条件会影响2D材料叠层膜的最终结构。Tsou 等利用加压、真空和蒸发辅助3种过滤方法组装GO 膜，它们对应的结构取向分别是高度有序、随机和高度随机[图5(a)]。Xu 等进一步探讨了快、慢两种沉积速率对真空过滤制备GO膜的影响。GO 纳米片在慢速沉积下能够更好地组装，形成相邻GO片层氧化区域与非氧化区域分别对应的热力学稳定2D纳米流体通道。由于2D材料的超薄特性，2D 材料叠层膜通常需要多孔支撑体提供足够的机械强度。Zhang等研究了支撑体对于GO膜孔道结构和分离性能的影响。支撑体的表面形貌和化学结构决定了GO膜的附着情况，支撑体的主体孔结构决定了GO膜的整体传输阻力。

图5 液相组装策略制备2D材料叠层膜[46-49]

除了过滤组装，各种涂覆组装方法，如旋涂、喷涂和浇铸等也被报道用于2D材料叠层膜的制备。在旋涂过程中，含有2D 纳米片的分散液在离心力作用下均匀分布在支撑体上，形成超薄的层状膜。Kim 等展示了两种不同旋涂方法[图5(b)]。Guan等利用喷涂法制备了2D 材料叠层膜，通过控制喷涂次数和蒸发速率，可以使得膜结构由无序到有序、由多孔到致密。浇铸法也是涂覆组装方法的一种，有望实现2D 材料叠层膜的大规模连续生产。Akbari 等将反复浓缩的高浓度GO 分散液在剪切力诱导下浇铸组装成大面积、结构有序、连续均匀的GO 膜[图5(c)]。Zhong 等进一步开发了一种通用、高效、可放大的连续离心浇铸方法来制备GO膜及其他2D材料叠层膜[图5(d)]。这种方法所制备的2D材料叠层膜具有高度定向和紧密堆叠的特点，在光电、储能、膜分离、功能涂层等方面都有很好的应用前景。

2 2D材料膜纳米流体通道的调控

从2D 材料膜纳米流体通道的物理结构来看，2D纳米片组装形成的孔隙和层间空间是2D材料膜的主要传质通道，对于尺寸较小且非常接近的流体分子/离子来说，纳米流体选择性传输要求2D材料膜具有纳米级精密结构的传质通道。可以通过调控纳米流体通道的尺寸、长度和形状等物理结构以达到精确筛分、传输距离缩短和传输阻力降低的目的，满足不同应用场景的快速和高效分离需求。

从2D 材料膜纳米流体通道的化学环境来看，2D 纳米片表面和边缘修饰丰富的功能化基团，提供了可能与流体分子/离子相互作用的活性位点。可以通过调控纳米流体通道的亲和性、电荷性等化学环境以控制流体分子/离子在2D材料膜纳米流体通道中的传输行为，实现2D 材料膜性能的全面提升。本节主要介绍了代表性的2D 材料膜纳米流体通道的调控手段。

2.1 2D材料膜纳米流体通道的物理结构调控

2.1.1 纳米流体通道尺寸调控

2D 材料膜中平面孔隙扮演孔口角色，而层间空间是流体分子/离子主要的传质路径，因此平面和层间通道尺寸是决定流体分子/离子能否进入通道渗透通过的关键参数。Joshi 等发现当将GO叠层膜浸入溶液中，水合作用将GO层间距增加到约0.9nm。水合半径为0.45nm或更小的流体分子或离子可以进入通道，而较大尺寸的物质则会被完全截留[图6(a)]。这种由层间距决定的尺寸筛分效应在许多领域具有重要意义。通过物理限制、交联和插层等方法可以有效调控2D 材料膜纳米流体通道尺寸。

图6 2D材料膜纳米流体通道尺寸调控[8,55-57,59,64]

2D 材料膜纳米流体通道的收窄可以使其适用于精密的分离过程。Abraham 等报道了基于外部作用的物理限制方法，通过环氧树脂封装来抑制GO叠层在水环境中的溶胀[图6(b)]，将层间距控制在约6.4～9.8Å（1Å=0.1nm）。阳离子控制是基于内部作用的物理限制方法。Chen 等在GO 叠层引入一系列水合阳离子[图6(c)]，同样实现了GO膜层间距达到亚纳米级精度的精确控制。

2D 材料膜纳米流体通道的扩大可以使其降低传质阻力和传输效率增强。交联和插层小分子、聚电解质或纳米材料是增大纳米流体通道的普遍方法。Hung等采用不同二胺单体分子交联GO叠层结构，在稳定结构的同时借由单体分子尺寸大小选择，获得可控的GO膜层间距[图6(d)]。类似地，许多具有特征端基的小分子，如硫脲、哌嗪、卟啉、硼酸、二羧酸、单宁酸等也可以用作交联剂来稳定纳米流体通道结构。这些小分子交联剂通常通过较少数量的活性位点与2D 纳米片共价连接，而聚电解质是一种带有丰富功能化基团的长链分子，可以通过较多数量的活性位点与2D纳米片灵活复合。利用GO纳米片荷负电的性质，一些荷正电的聚电解质，如聚乙烯亚胺、聚丙烯酸、聚乙二醇等可以与GO 纳米片通过静电作用自发组装[图6(e)]。然而小分子或聚电解质交联只能有限扩大2D 材料膜纳米流体通道尺寸，并且过度交联还可能阻塞通道，带来额外的传质阻力。尺寸较大的纳米材料插层能够显著改善2D材料膜纳米流体通道的渗透性。代表性的插层纳米材料包括碳基纳米材料、金属氧化物纳米粒子、MOFs和COFs等。最近，Zhang等提出“冷冻干燥-原位晶化”两步法制备ZIF-8@GO膜[图6(f)]，保持了原有GO层间2D纳米流体通道，同时构筑了ZIF-8非连续堆积的纵向贯穿纳米流体通道，有效强化了膜结构稳定性与渗透性。此外，GO膜的研究为其他新型2D材料膜的开发奠定了基础，上述调控纳米流体通道尺寸的方法同样也适用于其他2D材料膜。

2.1.2 纳米流体通道长度调控

通道长度是影响纳米流体传输的另一物理结构参数，一般取决于2D 材料膜的厚度和孔隙分布。单层多孔2D 材料是超薄膜的理想构筑单元，制备超薄2D 材料膜是缩短纳米流体通道长度的直接方法。Grossman 等预测单层纳米多孔石墨烯膜的渗透性比传统膜高几个数量级。Yang等报道了一种石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜[图7(a)]，具有超高的水渗透率、离子和分子截留率以及优异的抗污染性能，为制备具有优异柔性和机械强度的大面积无缺陷超薄2D材料多孔膜提供了可行范例。

图7 2D材料膜纳米流体通道长度和形状调控[9,70,73,78-79]

对于2D材料叠层膜，2D纳米片边缘和面内孔隙的存在决定了膜内纳米流体通道长度。一方面，小尺寸2D 纳米片堆叠可以形成更多的边缘狭缝孔用于纳米流体传输。Goh和Bae等通过2D纳米片片层尺寸控制，为纳米流体分子设计了更短、更少曲折的传输路径。小片层GO 纳米片组成的GO 膜的溶剂渗透速率比大片层GO 纳米片组成的GO 膜快2.9倍。另一方面，2D纳米片片层基面内含的孔结构可以额外增加纳米流体通道数量，且大幅缩短纳米流体的平均传输距离，从而提高传质效率。Li等发现经过HO轻度氧化和热处理还原的纳米多孔GO 膜，其水渗透性提高了26 倍[图7(b)]。使用本征多孔的2D材料作为组装2D材料膜的构筑单元更具吸引力，它们规整的纳米多孔结构不仅可以创建跨层传输的捷径，还可以确保精确的尺寸筛分效果。

2.1.3 纳米流体通道形状调控

柔性2D纳米片在溶剂环境中形成的褶皱形状，也可作为一种非常规的纳米流体通道影响纳米流体的传输及分离。Saraswat 等认为2D 材料膜中2D纳米片不完美堆叠导致的空隙、褶皱和无序微结构，也为纳米流体创建了有利的传输通道。Qiu和Zhang等进一步揭示了GO膜内的纳米褶皱在纳米流体传输中的作用。他们发现纳米褶皱本身可以作为一种快速的纳米流体传输路径，且它们与2D 材料膜层间通道的连接还可以形成一个选择性纳米流体通道网络。除了2D纳米片自发形成的褶皱形状，Huang 等利用氢氧化铜纳米线作为牺牲模板材料嵌入GO膜层间，再将纳米线再溶解去除，从而在GO叠层间形成空隙作为纳米流体通道，大幅提高了膜通量[图7(c)]。同样的纳米流体通道形状调控思路还可以扩展到其他2D材料膜，如WS膜[图7(d)]和MXenes膜[图7(e)]等。考虑到褶皱现象广泛存在于柔性2D纳米片中，褶皱形状调控有望在2D材料膜纳米流体通道设计和构筑方面发挥关键作用。

2.2 2D材料膜纳米流体通道的化学环境调控

2.2.1 纳米流体通道亲和性调控

2D材料膜纳米流体通道的化学环境主要由2D纳米片上的活性原子和功能化基团组成决定。这些活性位点能够通过多种效应与纳米流体分子/离子相互作用，从而控制纳米流体的传输行为。

高分辨透射电镜和拉曼等表征证明，GO 纳米片上存在随机分布的非氧化（sp）和氧化（sp）区域，非氧化区域允许水分子快速渗透，而氧化区域与特定分子和离子之间形成特异性相互作用。Xu 等通过分子动力学模拟分析，认为水分子会与GO膜层间的氧化区域通过氢键结合，显著影响水分子在通道内的迁移。通过在2D 材料膜层间引入各种带有含氧基团的亲水性物质，可以增强2D材料膜纳米流体通道的亲水性，构筑高效快速的水传质通道。Liang 等发现离子化磺酸基团可以强化对水分子的优先吸附。Zhang 等提出引入功能化离子液体设计制备具有仿生2D 离子传输通道的离子化GO 膜[图8(a)]。其中，咪唑基团控制GO 膜通道物理尺寸略小于水合多价离子，抑制水合多价离子的跨膜传输；而磺酸基团使GO膜通道形成高度亲水的化学环境，有利于水分子和水合单价离子的快速通过。与GO膜相比，咪唑/磺酸基团修饰的离子化GO 膜的水渗透率提高了约4 倍，单价离子渗透率提高了2～3 倍，对不同一价/二价离子的选择性也有明显提升。

2D 材料膜纳米流体通道的亲疏水性也会影响其他溶剂分子的传递。Wu 等通过化学接枝在TiCT纳米流体通道内均匀修饰上亲水的—NH和疏水的—CH、—CH。通过分子模拟和实验测试，发现在亲水纳米流体通道内，极性分子受亲水壁面强相互作用的诱导，沿壁面形成有序层状排布，有效降低了分子在传递过程中的无序碰撞，从而降低了能耗，在毛细管力的协同下快速平动传递[图8(b)]。在亲水通道内规则排布使得甲醇渗透通量高达3018L/(m·h·bar)（1bar=0.1MPa），为其在疏水通道内呈无序排布情况下通量的3倍以上。相比之下，对于非极性分子，它们在亲水通道和疏水通道内均呈现无序排布，在纳米流体通道内的渗透速率接近。

除了对水分子的亲和性，纳米流体通道中的活性位点还可以使其对特定离子具有特异性亲和作用。Zhu 等系统研究了GO 膜内离子的扩散传质行为，发现离子的渗透速率与它们的水合尺寸顺序并不完全相关，提出了GO膜纳米流体通道与不同离子的相互作用机理[图8(c)]。一方面，GO膜层间氧化区域的含氧基团可以作为路易斯碱与Cu、Cd、Mn等路易斯酸配合；另一方面，GO膜层间非氧化区域则倾向于与碱金属（如K）和碱土金属（如Ca）阳离子形成阳离子-π相互作用。Chen等也从理论模拟计算与表征技术发现并证实，离子与GO纳米片内芳香环结构之间存在阳离子-π相互作用[图8(d)]。

图8 2D材料膜纳米流体通道亲和性调控[56,82-84]

值得注意的是，2.1 节介绍的交联和插层等方法，不仅可以调控2D 材料膜纳米流体通道的物理结构，也可以改变2D 材料膜纳米流体通道的化学环境，特别是有针对性地选择同时具有交联、插层作用和有利于纳米流体体系传输效果的功能化材料，可以达到一举两得的作用。

2.2.2 纳米流体通道电荷性调控

在纳米流体通道的限域空间里，通道电荷性也会成为影响流体分子/离子传输的重要因素。当2D纳米流体通道中双电层（EDL）厚度与纳米流体通道尺寸相当时，纳米流体在通道内的扩散传输受到静电相互作用的显著影响，产生离子选择性、离子门控效应、离子整流效应等独特的纳米流体传输特性。Hong 等通过微观漂移-扩散实验测量了阳离子和阴离子单独渗透速率，发现GO膜具有超高的电荷选择性[图9(a)]。Zhang 等提出了一种表面电荷控制策略，实现了GO膜对离子的可控传输[图9(b)]。膜表面的电荷对盐溶液中带有同种电荷的高价离子产生强静电排斥，而对带有异种电荷的低价离子产生弱静电吸引。通过调控膜表面和盐离子之间的静电相互作用，表面带电的GO膜可以有效截留典型的AB盐（如MgCl）和AB 型盐（如NaSO）。

2D 纳米流体通道电荷性控制的选择性离子输运，使其在能量转换领域也具有广阔的应用潜力。Guo等提出了压力驱动的2D纳米流体通道系统能量转换[图9(c)]。在电解质溶液中带负电的GO 膜选择性通过阳离子而排斥阴离子，起到有效电荷过滤的作用，从而产生阳离子的净流量，将液压驱动转化为离子电流。盐度不同的溶液化学电位差能也可转换为有效电能，具有单向离子传输特性的2D 纳米流体通道可作为盐差发电的潜在材料。Ji等使用化学修饰的带有正、负两种相反电荷的GO 膜组取代传统离子交换膜，仿照电鳗起电细胞的双隔膜结构构筑发电单元[图9(d)]。通过人工海水和河水的混合，输出功率密度接近0.77W/m，能量转换效率为36.6%，比使用商业离子交换膜（IEMs）的约高54%。由15对膜组串列的电池组输出电压可达2.7V，真正实现了2D仿生纳米流体通道驱动实际的用电器。类似地，Ding等利用MXenes纳米片分别构筑带负电和带正电的纳米流体通道，表现出典型的表面电荷控制离子选择性输运特性。这些工作证明了2D 材料膜纳米流体通道在能量转换应用中的可能性。

图9 2D材料膜纳米流体通道电荷性调控[89-90,92-93]

3 结语

2D材料的出现以及2D材料膜的快速发展为纳米流体通道的构筑带来了巨大机遇。2D 材料膜中2D纳米片本征/人工孔道及2D纳米片有序平行堆叠组装形成的层间通道都可作为纳米流体通道。并且，通过对2D 材料膜纳米流体通道物理结构和化学环境的理性调控，可以实现流体分子/离子快速选择性地传输。2D材料膜提供了一种高效、可控、集成的纳米流体通道构筑平台，是纳米流体通道系统走向实际应用的重要突破口。本文综述了近年来基于2D 材料膜构筑纳米流体通道的研究进展，然而2D 材料膜在纳米流体研究方面仍然面临诸多挑战。

（1）多样化的2D材料为2D材料膜纳米流体通道构筑提供了丰富选择，但是目前只有部分2D 材料被广泛研究，需要探索其他更多具有新颖物理或化学结构的新型2D 材料或2D 异质结/复合材料用于2D 材料膜和纳米流体通道的制备。同时，作为2D材料膜纳米流体通道的构筑单元，开发低成本、高产率、高质量的2D 纳米片生产方法和大面积均匀、完整、有序的2D材料膜组装方法是实现2D材料膜纳米流体通道实际应用的重要前提。

（2）生物纳米通道是生命细胞与周围环境进行物质传输、信号传递、能量转换的关键结构，受生物启发设计2D 材料膜纳米流体通道模拟生物纳米通道的结构和功能是当前研究的热点之一。然而目前人工纳米流体通道仅能达到生物纳米通道的部分性能且功能较为单一。需要进行更全面、更精细的仿生研究，合理设计具有精密物理结构和巧妙化学环境的高性能、多功能2D材料膜纳米流体通道。

（3）纳米流体学涉及纳米尺度限域条件下流体的传输行为，尽管当前纳米技术发展迅速，人们在认识纳米流体传质上还存在较多盲区。需要继续利用先进表征仪器和模拟技术，从分子水平观察、理解和控制2D材料膜纳米流体通道内流体分子/离子传输行为，以更好地指导未来纳米流体学的创新发展。

（4）2D 材料膜解决了纳米流体通道的规模化制备和跨尺度集成问题，向实用化迈出了重要一步。目前2D 材料膜在纳米流体研究方面尚处于起步阶段，虽然许多文献报道了2D 材料膜纳米流体通道在实验中表现出优异的性能，但是仍然需要继续推进2D 材料膜纳米流体通道器件化研究和稳定性研究，使其能够真正应用于水净化、脱盐、生物/化学传感、DNA 测序、能源储存与转换等各个领域。