Sci. China Mater.: 江雷院士首次提出“量子限域超流体”概念

【引言】

生物离子通道在物质转移、能量转换和信号传输等多种生理过程中起着重要作用。信号可以基于生物离子通道在视觉、嗅觉、听觉和触觉等过程中从神经传递到大脑。这些功能高度依赖于具有选择性的生物离子通道的高速离子传输（每个通道每秒10⁷个离子）。这种超快物质传输源于离子通道的特殊功能，例如，小尺寸、独特的结构和表面电荷分布等，从而导致离子和分子以单链形式进行超快传输。从经典热力学角度看，具有化学选择性的纳米通道的物质传输应该是非常缓慢的。然而，在生命体系中，离子和分子的快速传输恰好是量子化的超快流体状态。 例如，NaK通道每次只能容纳一个水合Na⁺离子；K通道含有两个相距约7.5埃的K ⁺离子，中间有一个水分子；每个Ca离子通道也同时结合两个Ca²⁺离子。

【成果简介】

近日，中科院理化所的江雷院士将生物孔道中离子和分子以单链的量子方式快速传输定义为“量子限域超流体”，并指出限域孔道内离子和分子的有序超流为“量子隧穿流体效应”，该“隧穿距离”与量子限域超流体的周期相一致。结合该课题组近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 5814-5818），作者发现仿生体系也存在量子限域超流现象，例如人工离子通道和水通道内物质的快速传输（每秒~10⁶个离子）。最后，作者在展望中指出，通过把量子限域超流体概念引入化学领域, 将引发出精准化学合成，即量子有机、无机、高分子反应等。而引入到生物学领域，将产生量子超流的生物化学、生物物理、生物信息学以及生物医学等。在此基础上，也将产生其他的新科学和新技术。文章以“Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial”为题发表在《中国科学材料》（SCIENCE CHINA Materials）上。

【图文导读】

图1 生物离子通道和人工离子通道均存在超快离子和水传输。

（a）生物K离子通道含有两个相距约7.5埃的K⁺离子，中间有一个水分子；生物水通道中的水以分子链方式有序排列，表明离子和分子的超快传输是以量子化的方式进行，即“量子限域超流体”（QSF）。 （b）仿生人工纳米通道随着圆柱形关键功能区长度的逐渐增加，表现出巨大的整流效果，表明人工QSF体系的可能性。

图2 人工一维纳米通道中的超快水传输与“量子隧穿流体效应”概念。

（a）文献中水流速增加系数的实验数据拟合， 插图表示阵列化的碳纳米管膜。（b）不同纳米通道直径的水流速增加系数与接触角的关系。（c）分子动力学模拟碳纳米管中水链的结构以及纳米管内水分子的数量随时间变化的关系。（d）超快水传输以有序水分子链方式通过纳米通道的示意图，以及提出的“量子隧穿流体效应”概念。

图3 二维表面液体的超铺展和二维界面的超快水传输。

（a）示意图为超双亲硅片表面液体超铺展的机理，作为QSF概念的有力证据。 硅片上亲水和疏水纳米畴网络实现油（己烷）和水在表面的超铺展。（b）氧化石墨烯膜横截面的电镜照片和氧化石墨烯膜的超快水传输。

图4 引入QSF概念到化学和生物学领域将产生QSF化学和QSF生物学。

（a）QSF有机反应：碳纳米管限域的Fischer-Tropsch合成可将合成产率提高一个数量级；QSF聚合反应：合成具有超高分子量和更高密度的线型聚乙烯结晶纳米纤维。（b）QSF概念对于深入理解神经和大脑的超快信号传递具有重要意义，为理解触觉、味觉、视觉、听觉和嗅觉的生理过程提供新的思路，促进QSF生物化学，生物物理，生物信息学以及生物医学等学科的发展。

【小结】

综上所述，基于量子限域超流体（QSF）概念的材料在化学和生物领域拥有广阔的应用前景，并将进一步促进新材料、能源转化方式、信息系统和医学科学的发展。

文献链接：Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial（Sci. China Mater.,2018,DOI:| 10.1007/s40843-018-9289-2 ）

本文由《中国科学材料》（SCIENCE CHINA Materials）编辑部供稿，材料人整理编辑。

材料人专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部大家庭。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu。

材料测试、数据分析，上测试谷！