Sci. China Mater.: 江雷院士首次提出“量子限域超流體”概念

【引言】

生物離子通道在物質轉移、能量轉換和信號傳輸等多種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從神經傳遞到大腦。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）。這種超快物質傳輸源于離子通道的特殊功能，例如，小尺寸、獨特的結構和表面電荷分布等，從而導致離子和分子以單鏈形式進行超快傳輸。從經典熱力學角度看，具有化學選擇性的納米通道的物質傳輸應該是非常緩慢的。然而，在生命體系中，離子和分子的快速傳輸恰好是量子化的超快流體狀態。 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離子通道也同時結合兩個Ca²⁺離子。

【成果簡介】

近日，中科院理化所的江雷院士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”，并指出限域孔道內離子和分子的有序超流為“量子隧穿流體效應”，該“隧穿距離”與量子限域超流體的周期相一致。結合該課題組近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 5814-5818），作者發現仿生體系也存在量子限域超流現象，例如人工離子通道和水通道內物質的快速傳輸（每秒~10⁶個離子）。最后，作者在展望中指出，通過把量子限域超流體概念引入化學領域, 將引發出精準化學合成，即量子有機、無機、高分子反應等。而引入到生物學領域，將產生量子超流的生物化學、生物物理、生物信息學以及生物醫學等。在此基礎上，也將產生其他的新科學和新技術。文章以“Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial”為題發表在《中國科學材料》（SCIENCE CHINA Materials）上。

【圖文導讀】

圖1 生物離子通道和人工離子通道均存在超快離子和水傳輸。

（a）生物K離子通道含有兩個相距約7.5埃的K⁺離子，中間有一個水分子；生物水通道中的水以分子鏈方式有序排列，表明離子和分子的超快傳輸是以量子化的方式進行，即“量子限域超流體”（QSF）。 （b）仿生人工納米通道隨著圓柱形關鍵功能區長度的逐漸增加，表現出巨大的整流效果，表明人工QSF體系的可能性。

圖2 人工一維納米通道中的超快水傳輸與“量子隧穿流體效應”概念。

（a）文獻中水流速增加系數的實驗數據擬合， 插圖表示陣列化的碳納米管膜。（b）不同納米通道直徑的水流速增加系數與接觸角的關系。（c）分子動力學模擬碳納米管中水鏈的結構以及納米管內水分子的數量隨時間變化的關系。（d）超快水傳輸以有序水分子鏈方式通過納米通道的示意圖，以及提出的“量子隧穿流體效應”概念。

圖3 二維表面液體的超鋪展和二維界面的超快水傳輸。

（a）示意圖為超雙親硅片表面液體超鋪展的機理，作為QSF概念的有力證據。 硅片上親水和疏水納米疇網絡實現油（己烷）和水在表面的超鋪展。（b）氧化石墨烯膜橫截面的電鏡照片和氧化石墨烯膜的超快水傳輸。

圖4 引入QSF概念到化學和生物學領域將產生QSF化學和QSF生物學。

（a）QSF有機反應：碳納米管限域的Fischer-Tropsch合成可將合成產率提高一個數量級；QSF聚合反應：合成具有超高分子量和更高密度的線型聚乙烯結晶納米纖維。（b）QSF概念對于深入理解神經和大腦的超快信號傳遞具有重要意義，為理解觸覺、味覺、視覺、聽覺和嗅覺的生理過程提供新的思路，促進QSF生物化學，生物物理，生物信息學以及生物醫學等學科的發展。

【小結】

綜上所述，基于量子限域超流體（QSF）概念的材料在化學和生物領域擁有廣闊的應用前景，并將進一步促進新材料、能源轉化方式、信息系統和醫學科學的發展。

文獻鏈接：Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial（Sci. China Mater.,2018,DOI:| 10.1007/s40843-018-9289-2 ）

本文由《中國科學材料》（SCIENCE CHINA Materials）編輯部供稿，材料人整理編輯。

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