图丨将旋转的羰基结合位点引入双层石墨烯孔道，实现严格的 K /Na 选择性（来源：National Science Review）
研究人员首先在石墨烯片层上开了一个 9.8 埃 ×9.9 埃的小孔，对孔边缘对称性较高的 4 个位点进行含氧官能团修饰。进一步地，通过修饰位点的整体旋转，得到一种转角双层石墨烯埃孔。
并且，其只有两个原子层厚，这种结构能够完全阻止非特异性的钠离子透过，而钾离子的传输速率却高达 3.5×107 每秒，达到生物孔道水平的 40%，动态选择比近 1300。
图丨钾离子的传输遵从双离子机制（来源：National Science Review）
近年来，随着对清洁能源需求的提升，人们开始关注通过混合盐度不同的水体来发电的方法，称为“盐度差能发电”。这种基于高分子离子交换膜的技术，它的膜材料提供了近乎完美的电荷选择性，但离子通量却很低。
如何突破膜材料“选择性”和“通量”的矛盾，一直是科学家们致力于解决的技术难题。随着分子生物学和生物化学的发展，人们逐渐从分子水平认识到，电鳗放电的本质是利用细胞膜上的离子通道，转化和利用体液中的盐度差能。
2008 年，在北京大学读博的郭维敏锐地意识到，以离子通道为核心，在分子层面模仿电鳗放电，是突破膜材料“选择性-通量矛盾”的关键。其所在的博士导师王宇钢教授课题组最早在国内开展固体纳米孔道输运特性研究。
郭维在博士期间发表了将人工材料与电鳗放电原理联系的第一篇论文[2]，并被评为北京大学优秀博士毕业论文。
与致密的离子交换膜相比，一维的人工离子通道提供了结构明确、纳米尺度的离子传输路径。它以牺牲 10-15% 膜通道选择性为代价，将跨膜传输的离子通量提升了 1-2 个数量级，从而显著提升总的输出功率。
图丨电鳗放电的原理可追溯到细胞膜上的蛋白质离子通道（来源：Advanced Functional Materials）
由此开始，郭维带领团队利用一维和二维的纳米孔道，将“受电鳗启发的离子能转换”从纳米尺度的概念性展示，一直发展成为能点亮宏观用电器的仿生能源器件。
目前，该研究方向已经成为一个热点，据他介绍，“现在，全世界每年能在该方向产出超过 200 篇论文，其中仍然有近 30% 会引用我们最早仿电鳗的研究。”
下一代受电鳗启发的离子能转换
在该研究中，研究人员从结构上完成设计，并用计算机实验的方法帮助完成验证。未来，他们计划与合作者通过合成的角度找到对原子级精度选择性位点的合成和修饰，进而从材料上实现真正的合成。
研究的下一步要往哪个方向走？郭维和其团队将突破口锁定在“对电鳗放电原理有更为深入的理解”。
据了解，现有的盐度差能发电，是将高低浓度的离子溶液，经过电荷选择性通道进行混合。它不可避免地要引入一个低离子浓度的部分，成为提升性能的瓶颈。而在电鳗的起电盘细胞中，并不存在整体离子浓度较低的部分，因为要维持细胞膜两侧渗透压的平衡。
