前所未有的人工钾通道更好地模仿电鳗
生物钾离子通道允许较大的 K +(离子半径为 1.3 Å)相对于较小的 Na +(1.0 Å)选择性渗透，选择性比超过 1000 倍。几十年来，科学家们一直试图在人工系统中模仿这些奇迹，但远远无法与天然蛋白质通道的精确离子辨别能力相媲美。通常，现有人工钾通道的K + /Na +选择性比小于40倍。
通过重新审视生物KcsA钾通道12埃长的四重对称管状选择性过滤器的原子结构，他们发现非凡的K + /Na +选择性源于作为钾离子结合位点的四个周期性羰基环层。值得注意的是，两个相邻的羰基环并不严格重叠。相反，由于氨基酸的二面角，存在近 27 度的旋转(参见图像)。旋转羰基环这一长期被忽视的结构特征支撑着超高的K + /Na +选择性，但从未被用于构建人工钾通道。
遵循这一设计原理，研究人员在双层石墨烯片中创建埃级孔隙，并用羰基扭曲环装饰两个孔隙边缘。人工离子通道可以严格抑制不需要的Na +的传输，动态K + /Na +选择性比高达1295倍。K +传导率接近3.5×10 7 ions/s，几乎占生物钾离子通道的40%。
K +渗透事件的原子轨迹揭示了双离子传输机制，即每次成功的 K +渗透应至少涉及两个钾离子。K +从双层纳米孔出口的释放是通过入口处另一个 K + 的软碰撞机制实现的，这种机制以前只在生物离子通道中发现过。石墨烯层之间的一个或两个水合物水分子促进了协同行为，形成所谓的 K- n H2O-K 三联体。
除了深入了解生物系统的工作原理之外，高度钾选择性的人工离子通道还可以实现自然界中未发现的新应用。作为概念验证演示，研究人员提出了一种通过双层埃孔混合等浓度电解质溶液来收集离子功率的新方法。理论上，该仿生装置可以利用孔隙率低于1%的石墨烯片实现超过1200 W/m 2的极高功率密度。
值得注意的是，钾选择性渗透使渗透发电(PoPee-OPG)更好地模仿了电鳗的电细胞的能量转换方式(参见图片)。首先，PoPee-OPG 可以使用总离子强度相等的溶液进行操作。这与现有盐度梯度发电(SGPG)中使用的必不可少的稀释溶液形成鲜明对比，这限制了其性能。其次，值得一提的是，由于细胞膜上渗透压的平衡，电鳗的体液中实际上不存在明显的低浓度部分。PoPee-OPG的显着改进相当于大大降低了离子电源的内阻，从而实现了高输出功率。从这个角度来看，PoPee-OPG对仿电鳗能量转换进行了升级。
虽然现阶段仍处于理论阶段，但本文中发现的独特的孔隙结构和工作原理可以指导用堆叠石墨烯基材料或双层共价有机框架组件等制造高选择性膜。总体而言，仿生设计将天然蛋白质的卓越功能带入人体工程设备中，并为水净化、化学分离、离子电池等多种应用提供了蓝图。
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