江雷院士Acc. Chem. Res.：師法自然，離子/分子超流體研究

景行 1年前 (2022-05-11) 2598瀏覽

一、【導讀】

生命系統在高效的能量轉換、信息傳輸和生物合成方面表現出超低的能量消耗。人體每天需要攝入的總能量約為2000千卡(kcal)，才能維持所有的活動，功率約為100 W。大腦工作所需的能量相當于~20 W，剩下的能量(~80 W)用于其他活動。所有的體內生物合成都只在體溫下進行，這比體外反應溫度要低得多。要實現這些超低能耗過程，需要在納米通道(如離子通道和分子通道)中進行一種超低阻抗的物質傳輸，其中離子或分子的定向集團運動（而不是傳統的牛頓擴散）是必要條件。離子和分子的定向集團運動被認為是離子/分子超流體。

離子/分子超流體形成的驅動力需要兩個必要條件:(1)離子或分子被限域在一定的距離內(約為2倍離子德拜長度(2λD)或約為2倍分子范德華平衡距離(2d0))。(2)當粒子的吸引勢能(E0)大于熱噪聲(kBTc)時，可以形成離子/分子超流體。離子/分子超流體的概念將促進對生物系統中超低能耗能量轉換的理解。

二、【成果掠影】

近日，中科院理化技術研究所江雷院士討論了生命系統如何在高效的能量轉換、信息傳輸和生物合成中呈現超低能耗。生命科學中這一關鍵問題的答案可能是一種超低阻抗物質傳輸或離子/分子定向集團運動。作者進一步總結了離子/分子定向集團運動的超低阻抗要求。

電鰻身體的擺動和心臟復蘇是機械能向電能的轉換，機械調制可能導致離子的集團運動，即離子相干共振的宏觀量子態。心肌細胞內Ca2+的相干共振可以誘發心跳，實現生物系統從電能到機械能的轉換。離子通道的宏觀量子態被認為是神經信息的載體，環境場可能在調節各種離子通道的宏觀量子態方面發揮重要作用。在生物離子通道系統中，離子通道與它們所釋放的光子之間的耦合可以產生環境波，環境波又可以將通道中的離子振蕩調節到相干狀態。退相干和相干的狀態可能對應于睡眠和行為的狀態。

作者還證明了ATP分解為ADP釋放出的頻率為~34 THz的光子，可以進一步推動DNA聚合酶納米腔內的DNA聚合。作者提出光化學反應(中紅外和遠紅外)可能是高效生物合成的驅動力。在不同微孔結構膜的管式反應器中，可以進一步設計由多個中遠紅外多光子共振驅動的量子化合成，以實現低能耗、高效率的合成。最后，作者指出玻色-愛因斯坦凝聚可能廣泛存在。作者期望本文將為生命科學的關鍵問題提供新的思路:生命系統如何在高效的能量轉換、信息傳輸和生物合成中呈現超低能耗?

相關研究成果以“From Dynamic Superwettability to Ionic/Molecular Superfluidity”為題發表在Acc. Chem. Res.上。

三、【核心創新點】

√生命系統在高效的能量轉換、信息傳輸和生物合成方面表現出超低的能量消耗，本文揭示其原因可能是一種超低阻抗物質傳輸或離子/分子定向集團運動；

√本文指出了離子/分子超流體領域仍然存在的挑戰：例如，應該開發新的表征方法和技術來研究離子/分子超流體。人工通道(沸石、共價有機框架、金屬有機框架、二維層狀材料膜)可用于探索生物通道的超低阻抗流動性。需要新的理論模擬來研究與信息傳輸和生物合成有關的離子/分子超流體。

四、【數據概覽】

圖1 在高效的能量轉換、信息傳輸和生物合成方面呈現超低能耗的生命系統?? 2022 ACS

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圖2 能量轉換中的離子超流體?? 2022 ACS

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圖3 信息傳輸中的離子超流體?? 2022 ACS

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圖4 生物合成中的分子超流體?? 2022 ACS

圖5 生物光子驅動的DNA聚合?? 2022 ACS

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圖6 分子超流體的中遠紅外光化學反應?? 2022 ACS

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圖7 離子/分子超流體形成的驅動力?? 2022 ACS

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作者簡介

江雷研究員，1998年回國組建課題組開展獨立原創性工作以來，共發表SCI論文800余篇，被引用155000余次，H因子為185（截止本文發稿最新Google Scholar數據）。仿生超浸潤領域引起了國際范圍內的研究熱潮，發表論文數呈現逐年顯著上升趨勢，截至2021年，發表論文總共超過23000篇。目前為止，世界上共有94個國家、超過1400個研究單位從事超浸潤領域的研究。在應用方面，十余項超浸潤界面材料體系方案應用于能源領域（濃差發電、高效傳熱）、健康領域（癌癥檢測、醫用導管）、資源領域（淡水采集、石油增采）、環境領域（油水／乳液／染料分離、農藥增效）、材料領域（微加工技術及制備技術）、化工領域（高效高選擇性催化體系）。目前已有授權專利70余項，其中一些專利已經實現了技術轉化。2021年，超浸潤性技術入選IUPAC化學領域十大新興技術。

2022年3月9日，Nature增刊Nature Index遴選2015-2020年自然指數五強國家（美國、中國、德國、英國、日本）的五名杰出科學家代表，對他們的工作以“Game changers”為題進行了專題評述報導。中科院院士、中科院理化所江雷研究員作為中國代表入選。Nature根據國際上最具影響力的82種自然科學類期刊指出，江雷研究員是2015-2020年期間在仿生、納米材料領域世界最具影響力的作者。

?文獻鏈接：From Dynamic Superwettability to Ionic/Molecular Superfluidity. Acc. Chem. Res., 2022, 55, 9, 1195–1204

?延伸閱讀

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