中國科大實現(xiàn)高效仿生質(zhì)子門控系統(tǒng)

近日，中國科大蘇州高等研究院張振教授團(tuán)隊在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“High-performance solid-state proton gating membranes based on two-dimensional hydrogen-bonded organic framework composites”的研究論文。 I8%Uyap{  
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生物離子通道由于其零電流閉合狀態(tài)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的門控效應(yīng)。然而，人工納米通道的門控能力通常不及生物通道，這主要是因為較大的納米孔無法在關(guān)閉狀態(tài)下完全阻斷離子傳輸。本研究設(shè)計并合成了一種固態(tài)氫鍵有機(jī)框架基膜，實現(xiàn)了高性能的由環(huán)境濕度控制的質(zhì)子門控。該門控機(jī)制并非依賴傳統(tǒng)的離子阻斷/激活效應(yīng)而是通過切換質(zhì)子傳輸路徑來實現(xiàn)。通過密度泛函理論計算表明，框架內(nèi)由濕度誘導(dǎo)的水橋的可逆形成和破壞，促進(jìn)了質(zhì)子傳輸模式從吸附位點(diǎn)跳躍到Grotthuss機(jī)制的轉(zhuǎn)換。之后本研究引入了細(xì)菌纖維素，增強(qiáng)了水團(tuán)簇的脫附和吸附性能，使其實現(xiàn)了高達(dá)5740的超高質(zhì)子門控比，超過了最先進(jìn)的固態(tài)門控裝置。在此之外，本研究所開發(fā)的膜完全基于固態(tài)原理運(yùn)行，這使其在從環(huán)境檢測到人體健康監(jiān)測等諸多應(yīng)用中都具有很高的通用性。本研究為高效質(zhì)子門控系統(tǒng)的設(shè)計提供了思路。 A(84cmq!q