顆粒在線訊：向自然學(xué)習(xí)是永恒的主題。生命中的離子通道具有離子選擇性、門控性及整流性，可實(shí)現(xiàn)特定離子的選擇性跨膜運(yùn)輸。鉀離子通道（KcsA）是常見的生命體離子通道，可實(shí)現(xiàn)K+/Na+的高效選擇性傳輸，選擇比達(dá)104。生物鉀離子通道具有埃米級的尺寸以及豐富的表面結(jié)合位點(diǎn)，每秒可以轉(zhuǎn)運(yùn)108個(gè)鉀離子。  

　　納米結(jié)構(gòu)材料和納米制備技術(shù)的興起促進(jìn)了具有高效、精密的離子選擇性傳輸?shù)姆律{米通道膜的快速發(fā)展。這些材料與技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米限域環(huán)境下的埃米級離子通道的構(gòu)筑，在尺寸上實(shí)現(xiàn)離子的初步分離。通過引入相應(yīng)的基團(tuán)，通道表面實(shí)現(xiàn)功能化，利用離子與功能基團(tuán)作用力的差異，實(shí)現(xiàn)離子的進(jìn)一步篩分。由于鋰、鈉、鉀等離子具有相同的價(jià)態(tài)以及相似的離子半徑，有效的單價(jià)離子篩分目前仍是挑戰(zhàn)。  

　　近日，中國科學(xué)院理化所研究員聞利平與吉林大學(xué)化學(xué)院教授賁騰（現(xiàn)為浙江師范大學(xué)教授），在Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-022-29382-6）上發(fā)表研究性論文。該研究受生物KcsA通道的啟發(fā)，將一種螺旋多孔有機(jī)鹽分子籠（CPOS）原位生長在錐形納米孔中，實(shí)現(xiàn)鉀離子的快速選擇性傳輸以及單價(jià)離子的篩分作用。在亞納米尺度上，錐形結(jié)構(gòu)的雙螺旋通道表現(xiàn)出典型的離子整流行為，鉀離子的傳輸速度達(dá)94.4 mmol m-2 h-1，其中，K+/Li+和K+/Na+的選擇性比分別為363和31。實(shí)驗(yàn)和模擬表明，這種選擇性傳輸或是陽離子-π和靜電相互作用的協(xié)同效應(yīng)使Li+和Na+的傳輸能壘更高所致。該研究為設(shè)計(jì)與制備具有高性能K+離子篩分的仿生器件提供了有效方法。  

　　生物鉀離子通道依賴于非對稱的離子通道以及在亞納米限于空間表面基團(tuán)對鉀離子的高度選擇性傳輸。構(gòu)建具有類似KcsA的仿生離子通道有望實(shí)現(xiàn)K+離子的高效分離。研究利用徑跡蝕刻后的聚酰亞胺膜制備出錐形的納米通道，運(yùn)用原位合成策略，將CPOS材料組裝到上述單錐納米通道中，從而獲得仿生鉀離子通道膜材料。 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿生離子通道可以實(shí)現(xiàn)鉀離子的快速傳輸，其中K+/Li+的選擇性達(dá)363，并具有優(yōu)異的循環(huán)性能。與其他文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值相比，其分離性能達(dá)到先進(jìn)水平。 

　　這種鉀離子通道有望在水處理、能量轉(zhuǎn)換以及離子電池等方面得到進(jìn)一步應(yīng)用。中國科學(xué)院大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院、浙江師范大學(xué)科研人員參與研究。 

圖1.a、生物離子通道及CPOS材料的孔結(jié)構(gòu)，b、仿生離子通道的構(gòu)筑

圖2.仿生鉀離子通道的離子選擇性測試