图丨受电鳗启发的渗透能转换原理的两代进化(来源:National Science Review)
电鳗的起电盘细胞利用 Na 和 K 两种组份的不同配比,形成细胞外高钠离子浓度,低钾离子浓度;细胞内高 K 浓度,低 Na 浓度的溶液环境,再分别通过 Na 通道或 K 通道,进行膜两侧高浓度下的渗透能转换。
受此启发,郭维带领课题组成员,将转角双层石墨烯埃孔作为钾离子通道,通过它来混合等浓度的氯化钾和氯化钠溶液。
单孔产生的电功率虽然仅有 0.2pW,但由于孔道尺寸仅有几埃,可以轻易实现 1016 每平方米的超高数密度。并且,不易受浓度极化的影响,能够实现千瓦级的功率密度。
即将开启量子生物效应的“追梦之旅”
谈到该技术的未来,郭维认为他挖到“宝”了,现有的研究都是在单层的二维膜上造孔,追求膜材料极致的“薄”。
然而,有意思的现象会出现在双层体系中,既保证了原子级的膜厚,又可利用双层二维材料之间特殊的相互作用产生新的效应,这一点在刚刚兴起的转角二维材料物理学中已经得到印证。
郭维认为,转角双层体系大有可为,他们感兴趣的是把这一体系拓展到跨膜输运的研究中。
更有趣的是,在转角双层钾离子通道的研究中,研究人员发现,两个带正电荷的受限钾离子通过石墨烯层间一分子水的介导,被拉近到仅有 3.9 埃的距离,形成相互吸引的作用势。
类比电子超导的 BCS 理论,库珀对中两个配对的电子,它们之间的距离要达到数微米。短的关联距离就意味着对热扰动有更强的耐受力,这预示了蕴含“钾-水-钾”结构的受限离子流体有望成为一种室温下的超离子导体。
“不跟风、不唯上、不唯书”,是他一直追求的科研精神。“我很幸运,两代仿电鳗的工作都与 Wei Guo 的名字联系在一起。”郭维表示,“我们团队论文的数量不算多[1-9],但我要求把每一篇论文都按照能够成为本领域教科书的标准打造。”
据介绍,作为土生土长的北京人,在阔别本科母校二十年后,郭维将于 2024 年初正式加盟首都师范大学量子物理与智能科学研究中心。
郭维感慨道:“获得物理博士学位,在化学和材料领域闯荡了 15 年后,我决定走出舒适区,开启室温生物量子效应的‘追梦之旅’,并继续推动交叉学科的发展。”
参考资料:
1. Li,J.,Du,L. et al. Designing Artificial Ion Channels with Strict K /Na Selectivity toward the-Next-generation Electric-eel-mimetic Ionic Power Generation. National Science Review 2023, 10, nwad260. https://doi.org/10.1093/nsr/nwad260
2. Guo,W. et al. Energy Harvesting with Single-Ion-Selective Nanopores: A Concentration-Gradient-Driven Nanofluidic Power Source, Advanced Functional Materials 2010, 20, 1339. https://doi.org/10.1002/adfm.200902312
3. Guo,W. et al. Bio-inspired two-dimensional nanofluidic generators based on layered graphene hydrogel membrane. Advanced Materials 2013, 25, 6064. https://doi.org/10.1002/adma.201302441
4. Gao,J. et al. High-Performance Ionic Diode Membrane for Salinity Gradient Power Generation. Journal of the American Chemical Society 2014, 136, 1226. https://doi.org/10.1021/ja503692z5
5. Ji,J. et al. Osmotic Power Generation with Positively and Negatively Charged 2D Nanofluidic Membrane Pairs. Advanced Functional Materials 2017, 27, 1603623. https://doi.org/10.1002/adfm.201603623
6. Yang, J. Photo-induced Ultrafast Active Ion Transport through Graphene Oxide Membranes. Nature Communications 2019, 10, 1171. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09178-x
7. Jia,P. et al. Harnessing Ionic Power from Equilibrium Electrolyte Solution via Photoinduced Active Ion Transport through van-der-Waals-Like Heterostructures. Advanced Materials 2021, 33, 2007529. https://doi.org/10.1002/adma.202007529
8. Zhang,Y. et al. Bidirectional Light-Driven Ion Transport through Porphyrin Metal-Organic Framework based van-der-Waals Heterostructures via pH-Induced Band Alignment Inversion. CCS Chemistry 2022, 4, 3329. https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101588
9. Wen,Q. et al. Electric-Field-Induced Ionic Sieving at Planar Graphene Oxide Heterojunctions for Miniaturized Water Desalination. Advanced Materials 2020, 32, 1903954. https://doi.org/10.1002/adma.201903954