生物离子通道不仅可快速、有选择地控制离子通过原子尺度过滤器的运输，以维持生命机能。同时，还可以充当生命的晶体管，具有控制其对外部刺激的开关反应的能力，从而维持重要的生物活性。

近年来，科学家们已经开发出多种坚固的工程化膜来模仿自然界的复杂通道，以探测生物系统的离子扩散动力学，从而对生命科学、过滤和能量存储进行基本了解和应用。然而，这些工程化膜的孔尺寸大多超过了水合离子的直径，从而失去了离子选择性。因此，要实现门控超快并同时通过原子级通道进行选择性离子扩散，以复制生物的全部功能，仍然是一个巨大的挑战。

为应对上述挑战，香港大学校长张翔院士团队报道了一种基于电栅的石墨烯通道（高度约3）的原子尺度离子晶体管。该晶体管同时具有超快且高度选择性的离子传输能力，其速度比散装水中的离子扩散还高两个数量级！通过施加电门控，研究人员可以控制石墨烯层上的平均表面电势，从而改变离子嵌入通道中的能垒。原位光学测量表明，超快速离子传输可能源自离子的高度致密堆积及其在石墨烯通道内的一致运动。研究成果以“Atomic-scaleiontransistorwithultrahighdiffusivity”为题，发表在国际顶级期刊《Science》上。

要点一：原子级石墨烯通道器件的设计，通过使用三电极配置进行电势调控

原子级石墨烯通道器件由单片的多层还原氧化石墨烯（rGO）制成，rGO层间间距为λ≈0.45nm。研究人员将器件置于自支撑的氮化硅膜上，该氮化硅膜具有一个用于离子流的矩形孔，并被栅电极（Au）和绝缘层夹住以控制电势（图1A）。

相较于自组装的氧化石墨烯层，上述的器件配置具有完整的层状结构，同时保留了按比例放大制造的灵活性。因此，该石墨烯通道可以剪裁成长度为6μm，宽度为20μm的矩形形状，以促进离子渗透。整个装置作为膜被夹在进料室和渗透室之间，其中充满了高导电性碱性缓冲电解质，可以消除电泳作用，从而建立研究对象阳离子的0.2M浓度梯度。

图1.原子级石墨烯通道器件的示意图及其钾离子渗透性能

要点二：超快速离子渗透，扩散系数比散装水中的高两个数量级

为了探索碱金属离子通过石墨烯通道渗透的可能性，研究人员探究了纯粹由浓度梯度驱动的钾离子扩散。由于通道尺寸小于碱金属离子的水合直径，会形成内在的能垒，因此该能垒禁止离子在开路条件下进入，表明离子渗透处于“OFF”状态（图1B，top）；随后，研究人员施加电势以模仿生物通道壁上的电荷。在这种情况下，水合壳可能会变形或部分剥离以克服离子进入能垒，从而使离子作为电容电荷嵌入。当嵌入离子在通道内累积时，超过渗透阈值，可渗透离子传输被初始化，表明离子渗透的处于“ON“状态（图1B，down）。

结果发现，施加–1.2V电势时石墨烯通道表现出超快速的钾离子渗透（图1C，ON状态），有效扩散系数Deff高达2.0×10–7m2/s，比散装水中的扩散系数高两个数量级，并且超过了在生物通道中观察到的固有扩散系数！

此外，可以通过控制施加电势来石墨烯通道的离子渗透（图2）：电位越高，离子渗透越强。当电位超过阈值电势（–1.0至–1.2V）时，在浓度梯度的驱动下，离子浓度随时间和施加的电势线性增加；低于阈值（从OCP到–0.8V）时，观察到的离子渗透变化可忽略不计。

图2.施加电势与石墨烯通道的离子渗透能力的线性关系及其开-关响应

要点三：原子尺度石墨烯通道离子渗透的机理

石墨烯通道中离子渗透的机理可以看成是离子的“牛顿摇篮”，其中向内摆动的摆球几乎立即将一个摆出的球从一排悬挂的钢球的另一侧摆动出来（图3）。在离子通道中，电容会在石墨烯片之间产生临界浓度的离子，此时高浓度侧的进入离子可通过协调的库仑运动将离子快速从膜的另一侧压出。

具体来说，可以分成三步：I)吸入离子，在低栅极电压时，通道开始从石墨烯层之间的溶液中吸收K+离子，剥夺了它们的水合壳；II)打开通道：只有当石墨烯各层在高偏压下充满并且已经扩展以容纳离子时，K离子才会流过；III）离子性的“牛顿摇篮”：当K离子进入通道时，它们会像从牛顿摇篮转移动量一样以电容方式将离子从另一侧推出。

图3.原子级石墨烯通道的离子渗透和运输机理

要点四：原子级石墨烯通道的高电荷堆积密度及其对金属离子的高度选择性

由于材料的电子结构会极大地影响其光学性能，研究人员进一步通过原位光学反射测量探索了原子级石墨烯通道中的嵌入电荷密度。在超出阈值电压的至nm的光谱区域中，研究人员观察到了相对于开路条件的增强的光反射（图4A），这与电势依赖性离子扩散测量结果一致。

通过用依赖费米能级的多层石墨烯层近似rGO的光学特性，研究人员对光学反射测量进行了建模。建模结果显示，–1.2V时石墨烯通道的电荷堆积密度高达1.8×cm–2。高电荷堆积密度可以在相邻离子之间产生强大的库仑相互作用，并促进它们的协同运动，同时降低能垒。

最后，研究人员还探究了原子级石墨烯通道对金属离子的选择性（图4B）。结果发现，在–1.0V时，石墨烯通道的K+/Li+的选择比高达9.0，且总渗透率随电势的增加而增加。有趣的是，石墨烯通道表现出恒定的选择序列（即K+Cs+Li+），类似于生物钾通道的选择序列。

图4.石墨烯通道的电荷堆积密度和离子选择性

通讯作者简介

张翔，年12月出生于中国江苏省南京市，光电学家，美国国家工程院院士（年），中国科学院外籍院士（年），加州大学伯克利分校教授，现任香港大学校长（年12月，任期5年）。本硕毕业于南京大学，博士毕业于加州大学伯克利分校。

张翔院士是光电信息材料和器件专家，是信息超构材料和表面等离激元光子学方向的开拓者之一。张翔院士的代表性工作包括：1）年，利用表面等离激元效应研制出第一块超透镜，首次演示了突破光的衍射极限的成像效应；2）年设计了银铝氧化物亚波长结构，首次成功制备出具有光学负折射系数的三维材料，结束了有关负折射材料是否可能实现的争论；3）将光的负折射原理推广到声学，第一次实现了具有负弹性模量的声学超构材料和器件，展示声波调控新方法；4）发展了等离子体光刻技术，成功刻写出纳米级电子电路；5）年，研制出了世界上第一个表面等离元半导体激光器；6）年，利用单层石墨烯研制出了世界上最小的超宽带高速光调制器；7）通过双光子吸收发现了二维半导体材料中的超强激子相互作用及巨束缚能等；8）实现了首个电控谷-自旋光电管，开辟了谷-光电子学的新领域。目前已发表SCI论文近余篇，引用次数达余次，H-index高达。

文章来源：高分子科学前沿

特别声明：本文发布仅仅是出于传播信息需要，并不代表本公共号观点；如其他媒体、网站或个人从本

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkyy/1259.html