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  生物離子通道在物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)榷喾N生理過程中起著重要作用。信號可以基于生物離子通道在視覺、嗅覺、聽覺和觸覺等過程中經(jīng)神經(jīng)傳遞到大腦。這些功能高度依賴于具有選擇性的生物離子通道的高速離子傳輸（每個通道每秒10⁷個離子）。這種超快物質(zhì)傳輸源于離子通道的特殊性質(zhì)，例如，小尺寸、獨特的結(jié)構(gòu)和表面電荷分布等，從而導(dǎo)致離子和分子以單鏈形式進行超快傳輸。從經(jīng)典熱力學(xué)角度看，具有化學(xué)選擇性的納米通道的物質(zhì)傳輸應(yīng)該是非常緩慢的。然而，在生命體系中，離子和分子的快速傳輸表現(xiàn)出量子化的超快流體狀態(tài)。 例如，NaK通道每次只能容納一個水合Na⁺離子；K通道含有兩個相距約7.5埃的K ⁺離子，中間有一個水分子；每個Ca離子通道也同時結(jié)合兩個Ca²⁺離子。

  2018年，中科院理化所江雷院士首次將生物孔道中離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸定義為“量子限域超流體”，并指出限域孔道內(nèi)離子和分子的有序超流為“量子隧穿流體效應(yīng)”，該“隧穿距離”與量子限域超流體的周期相一致。同時他們發(fā)現(xiàn)仿生人工體系也存在量子限域超流體現(xiàn)象，例如人工離子通道和水通道內(nèi)物質(zhì)的快速傳輸（每秒~10⁶個離子）。最后在展望中指出，通過把量子限域超流體概念引入化學(xué)領(lǐng)域, 將引發(fā)出精準化學(xué)合成，即量子有機、無機、高分子反應(yīng)等。而引入到生物學(xué)領(lǐng)域，將產(chǎn)生量子超流的生物化學(xué)、生物物理、生物信息學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等。在此基礎(chǔ)上，也將產(chǎn)生其他的新科學(xué)和新技術(shù)。文章發(fā)表在Science China Materials (Sci. China. Mater., 2018, 61, 1027)上。

圖1 量子限域超流體: 從自然到人工

  納米通道浸潤性研究對于解決界面化學(xué)和流體力學(xué)中遺留的眾多挑戰(zhàn)性問題至關(guān)重要，并廣泛應(yīng)用于物質(zhì)傳輸、納米限域催化、限域化學(xué)反應(yīng)、納米材料制備、能量儲存和轉(zhuǎn)化、液體分離等領(lǐng)域。納米通道的尺寸是影響液體浸潤性的關(guān)鍵因素，當(dāng)通道直徑小于10納米時，通道內(nèi)液體由于限域效應(yīng)出現(xiàn)非連續(xù)流體行為；當(dāng)通道直徑大于10 納米時，通道為液體提供更大的受限空間，適用于液體傳輸和納米材料制備。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，納米通道浸潤性研究仍面臨許多挑戰(zhàn)，其中最大的挑戰(zhàn)是探索納米通道中非連續(xù)流體的物理來源。為此，江雷院士和張錫奇副研究員在Advanced Materials (Adv. Mater., 2019, 31, 1804508)上發(fā)表了題為“Wettability and Applications of Nanochannels”的綜述文章。文章首先介紹 “量子限域超流體”概念，并用于解釋納米通道中超快物質(zhì)傳輸和非連續(xù)流體行為。隨后，文章分別在理論和實驗上總結(jié)了一維、二維和三維納米通道浸潤性，從分子模擬、液體浸潤性、外部刺激（溫度和電壓）調(diào)控浸潤性、熔體和液體浸潤限域策略、液體傳輸和限域納米材料制備等方面對納米通道浸潤性與應(yīng)用進行論述。最后，文章在展望中指出，“量子限域超流體”概念將為理解納米通道中非連續(xù)流體行為提供新思路，并將引發(fā)一場量子限域化學(xué)的革命。

圖2 納米通道浸潤性與應(yīng)用

  納米限域化學(xué)反應(yīng)通常比通道外部和體相中反應(yīng)具有更高的選擇性和反應(yīng)效率。然而，納米限域作用增強反應(yīng)性能的本質(zhì)機理仍不明確，這成為納米限域化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域的一個亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。為此，江雷院士和張錫奇副研究員在Advanced Materials Interfaces (Adv. Mater. Interfaces. 2019, 6, 1900104)上發(fā)表了題為“1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction”的文章。文章首先概述了一維納米限域化學(xué)反應(yīng)的發(fā)展現(xiàn)狀，包括有機合成、聚合反應(yīng)，以及金屬表面的納米限域預(yù)組裝反應(yīng)。受生物DNA合成的程序化組裝反應(yīng)啟發(fā)，通過結(jié)合量子限域超流體概念和前線分子軌道理論，文章提出了“有序組裝反應(yīng)”的新概念，用于理解納米限域作用增強反應(yīng)性能的本質(zhì)機理。一方面，受納米限域作用的影響，反應(yīng)物分子將有序排列并且轉(zhuǎn)變分子構(gòu)型，以滿足前線軌道理論的對稱性匹配原則，降低反應(yīng)能壘，提高反應(yīng)活性和立體選擇性。另一方面，通道內(nèi)的反應(yīng)物分子流體將呈現(xiàn)出量子限域超流體特征的超快流動，在保證高反應(yīng)效率的同時減少反應(yīng)物和催化劑的接觸時間，抑制副反應(yīng)的發(fā)生，提高產(chǎn)物的選擇性。此外，反應(yīng)物分子在催化劑表面的快速吸附-解吸附過程可降低催化劑失活或中毒的幾率，延長催化劑壽命。因此，一維納米限域化學(xué)反應(yīng)的選擇性和反應(yīng)效率均能得到進一步提升。最后，文章在展望中指出，“有序組裝反應(yīng)”概念的提出，將促進界面催化化學(xué)理論的發(fā)展，實現(xiàn)高反應(yīng)效率、高產(chǎn)率和高選擇性的集成優(yōu)化，為化學(xué)、化工和合成生物學(xué)等領(lǐng)域的未來發(fā)展開辟新的道路。

圖3 基于量子限域超流體的有序組裝反應(yīng)

  傳統(tǒng)的Hodgkin-Huxley模型認為，神經(jīng)信號傳輸是通過動作電位沿著神經(jīng)元軸突進行傳播，動作電位是由K⁺/Na⁺在Na/K泵的離子擴散產(chǎn)生的，而其余大部分Na/K泵是靜止的。這種離子流體是熵驅(qū)動的無序流體，離子擴散過程需要消耗大量能量，類似于多米諾骨牌效應(yīng)，傳播速度相對較慢（~1 m/s），不適用于解釋神經(jīng)信號的超快傳輸。為此，江雷院士和張錫奇副研究員在Nano Research (Nano Res., 2019, DOI:10.1007/s12274-019-2281-3)上發(fā)表了題為“Quantum-confined ion superfluid in nerve signal transmission”的文章，提出了基于量子限域離子超流體（QISF）的神經(jīng)信號傳輸過程，認為QISF是焓驅(qū)動的限域有序流體，K⁺/Na⁺同時在所有Na/K泵通道進行快速傳輸，離子傳輸過程沒有能量損耗，并產(chǎn)生沿著神經(jīng)傳輸方向超快傳播的離子密度波（QISF波），作為神經(jīng)信號傳輸?shù)男畔⒚浇�。QISF波和動作電位在傳播過程中不相干。同時發(fā)現(xiàn)K⁺和Na⁺的德布羅意波長比直徑小一個數(shù)量級，但原則上離子的德布羅意波長應(yīng)遠大于離子直徑，表明德布羅意波長公式不適用于描述離子在生物通道中的量子效應(yīng)。QISF過程的提出，不僅為神經(jīng)和大腦中超快信號傳輸?shù)暮侠斫忉屘峁┝诵碌囊暯�，而且對離子、分子和粒子的物質(zhì)波理論提出了挑戰(zhàn)。

圖4 基于量子限域超流體的神經(jīng)信號傳輸

  近日，江雷院士和張錫奇副研究員在Nanoscale Horizons (Nanoscale Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C9NH00214F)上發(fā)表了題為“Quantum-confined ion superfluid”的文章，介紹了量子限域超流體領(lǐng)域的最新研究進展，包括量子限域超流體的概念及其在化學(xué)和生物領(lǐng)域中的應(yīng)用，并對其適用范圍和局限性進行討論。文章在展望中指出，量子限域超流體概念作為對傳統(tǒng)理論的挑戰(zhàn)，將極大地促進納米限域化學(xué)反應(yīng)和納米材料合成的發(fā)展，拓展納米通道（甚至是亞納米通道）的應(yīng)用；并將開辟量子離子學(xué)的新領(lǐng)域，顛覆對神經(jīng)科學(xué)和腦科學(xué)中神經(jīng)信號傳輸?shù)葐栴}的理解，拓展生物物理、生物信息學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的物質(zhì)波理論等。論文第一作者是江雷院士團隊的博士后郝雨薇，相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃的大力支持。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1007/s40843-018-9289-2

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201804508

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.201900104

  https://doi.org/10.1007/s12274-019-2281-3

  https://doi.org/10.1039/C9NH00214F