滲透效應(yīng)在生物體的信息傳遞和能量轉(zhuǎn)換方面具有雙重作用：Na+/K+通道的周期性關(guān)閉和開啟實現(xiàn)了動作電位的產(chǎn)生，突觸的Ca2+在神經(jīng)遞質(zhì)釋放和突觸可塑性中的關(guān)鍵作用；線粒體中的化學(xué)滲透耦合機(jī)制驅(qū)動的ATP合成，葉綠體中類囊體膜的 質(zhì)子梯度協(xié)助光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能。因此，高效的能量流動和精準(zhǔn)的信息傳遞本質(zhì)上是統(tǒng)一的，即“能量-信息流”，這是多種生物過程的基本原理，并為人工離子通道的設(shè)計提供了關(guān)鍵見解。與體相離子傳輸行為不同，納米限域空間展現(xiàn)出一系列非同尋常的現(xiàn)象，包括電雙層重疊、離子庫侖阻塞以及超離子態(tài)等，為調(diào)控溶劑化離子傳輸提供了一種獨特的方法。在此基礎(chǔ)上，模仿生物離子通道的人工離子通道研究能夠加深對生物系統(tǒng)中復(fù)雜離子傳輸?shù)睦斫?，并推進(jìn)納米限域空間中的離子動力學(xué)研究。然而，當(dāng)前的研究在很大程度上依賴于在納米限域空間內(nèi)活性材料的原位生長過程，該過程既復(fù)雜又難以大規(guī)模推廣。此外，由于傳統(tǒng)膜只能實現(xiàn)陽離子或陰離子的單向傳輸，50倍鹽度梯度下的最大膜電壓被限制在約100 mV，這極大地制約了滲透效應(yīng)的實際應(yīng)用。因此，將仿生通道設(shè)計、Janus膜結(jié)構(gòu)與可擴(kuò)展的制備工藝融入先進(jìn)離子交換膜設(shè)計中，對于提升最大膜電壓和離子邏輯控制至關(guān)重要。提高膜電壓和滲透功率密度是推動滲透能捕獲技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵，同時，二維離子邏輯控制作為一種新興技術(shù)，能夠在不依賴柵極電壓的條件下實現(xiàn)離子邏輯控制和離子信號編碼，為神經(jīng)形態(tài)信息處理提供了一種寶貴的途徑。

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的魏迪研究員團(tuán)隊、王中林院士團(tuán)隊與香港科技大學(xué)的周艷光教授團(tuán)隊合作，設(shè)計了一種具有雙向離子選擇性和二維離子邏輯控制的仿生Janus膜。受氯離子電壓門控通道5（ClC-5）的啟發(fā)，將MXene分別用EDTA和PDDA修飾，得到兩種相反電荷的納米片（N-MXene和P-MXene），通過抽濾或打印的方式，可擴(kuò)展地得到可實現(xiàn)陰陽離子雙向協(xié)同傳輸?shù)腘P-MXene膜。該Janus膜表現(xiàn)出優(yōu)異的單價離子選擇性，即允許K+，Na+和Cl?等單價離子高效傳輸，抑制Mg2+、Ca2+和SO42?等二價離子的傳輸行為，這可歸因于亞納米通道的尺寸篩分效應(yīng)、通道壁與離子的靜電作用、螯合作用和氫鍵作用的綜合結(jié)果。在50倍鹽度梯度下，NP-MXene膜能夠?qū)崿F(xiàn)可控的、協(xié)同的Na+/Cl?傳輸，實現(xiàn)了85.1 W m?2的功率密度和181.5 mV的滲透電位，這是單個設(shè)備中報道的最高值。魏迪研究員團(tuán)隊首次定義二維離子邏輯控制（2D iontronic logic control）概念，利用不同離子傳輸所產(chǎn)生的特定離子信號，實現(xiàn)受鹽度梯度調(diào)控的離子傳輸行為，無需外部柵極電壓即可實現(xiàn)信號的切換和編碼，為神經(jīng)形態(tài)信息處理和離子邏輯電路的未來應(yīng)用提供了可能，展示了“能量-信息流”廣泛的應(yīng)用潛力和深遠(yuǎn)的科學(xué)影響。

該成果以“Biomimetic Janus MXene membrane with bidirectional ion permselectivity for enhanced osmotic effects and iontronic logic control”為題發(fā)表在近期的Science Advances期刊上。

圖文導(dǎo)讀

圖 1.生物離子通道以及仿生NP-MXene膜的示意圖。（A）氯離子電壓門控通道5（ClC-5）的離子擴(kuò)散機(jī)制示意圖。（B）仿生NP-MXene膜的離子擴(kuò)散機(jī)制示意圖。（C）NP-MXene膜的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。（D）在KBr溶液中浸泡后的NP-MXene截面的能譜分散 X 射線光譜（EDS）元素分布圖（Ti、N、K和Br）。（E）從X射線衍射（XRD）圖譜中獲得的MXene、N-MXene 和P-MXene通道的間距。

圖 2.仿生NP-MXene納米限域通道的離子傳輸性能。（A）電化學(xué)測試裝置示意圖。（B）N-MXene、P-MXene和NP-MXene膜的跨膜離子電導(dǎo)對比。（C）NP-MXene中離子在KCl鹽度梯度下的擴(kuò)散示意圖。（D）具有KCl鹽度梯度的NP-MXene的滲透電壓（VOS）和滲透電流密度（J）。（E）NP-MXene中離子在MgSO4鹽度梯度下的擴(kuò)散示意圖。（F）具有MgSO4鹽度梯度的NP-MXene的VOS和J。（G）NP-MXene中離子在MgCl2鹽度梯度下的擴(kuò)散示意圖。（H）具有MgCl2鹽度梯度的NP-MXene的VOS和J。（I）NP-MXene中離子在Na2SO4鹽度梯度下的擴(kuò)散示意圖。（J）具有Na2SO4鹽度梯度的NP-MXene的VOS和J。（K）NP-MXene中離子在復(fù)雜體系中的擴(kuò)散示意圖，左側(cè)（C1）為高濃度的MgSO4溶液和低濃度的NaCl溶液，右側(cè)（C2）為高濃度的NaCl溶液和低濃度的MgSO4溶液。（L）兩個鹽度梯度系統(tǒng)的IV曲線（系統(tǒng)1：（C1）0.5 M MgCl2和0.02 M NaCl|（C2）1 M NaCl和0.01 M MgCl2；系統(tǒng)2：（C1）0.5 M Na2SO4和0.02 M NaCl|（C2）1 M NaCl和0.01 M Na2SO4）。（M）Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)下NP-MXene通道中離子擴(kuò)散模型的初始狀態(tài)和（N）最終狀態(tài)。（O）Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中離子通過NP-MXene通道的平均進(jìn)入時間和通過時間。（P）不同離子的水合能。（Q和R）位于溶液和NP-MXene通道入口處的水分子周圍氧的徑向分布函數(shù)（RDF）。

圖 3. 仿生NP-MXene 膜在Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中高效的滲透能量流。（A）離子在NP-MXene中的擴(kuò)散示意圖，左側(cè)（C1）為高濃度的MgCl2溶液和低濃度的Na2SO4溶液，右側(cè)（C2）為高濃度的Na2SO4溶液和低濃度的MgCl2溶液。（B）在Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中，隨著外部電阻的增加，NP-MXene的滲透功率密度的變化情況。（C）在Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中，N-MXene、P-MXene 和 NP-MXene在不同鹽度梯度下的滲透電流密度的比較。（D）在Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中，N-MXene、P-MXene和NP-MXene在不同鹽度梯度下的滲透功率密度的比較。（E）在MgCl2、Na2SO4和Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中，NP-MXene在不同鹽度梯度下的滲透電流密度的比較。（F）在MgCl2、Na2SO4和Na2SO4|MgCl2鹽度梯度系統(tǒng)中，對NP-MXene在不同鹽度梯度下滲透功率密度進(jìn)行比較。（G）NP-MXene器件的長期穩(wěn)定性。（H）NP-MXene器件與已報道的其他器件在滲透電壓和滲透功率密度方面的比較。

圖 4. NP-MXene膜實現(xiàn)的二維離子邏輯控制。（A）以電子作為載流子的電子晶體管。（B）以離子作為載流子的離子電子晶體管具有虛擬柵極。（C）NP-MXene離子電子晶體管的原理圖，包括源極、漏極和離子通道。（D）當(dāng)施加刺激時電流信號會發(fā)生變化（離子）。（E）定義低電流信號水平（0）和高電流信號水平（1），分別對應(yīng)單離子（鈉離子）和雙離子（鈉離子和氯離子）傳輸。（F）基于NP-MXene離子電子晶體管仿生離子流動的人機(jī)交互式信息傳輸。

結(jié)論

本研究首次展示了二維離子邏輯控制（2D iontronic logic control）概念，結(jié)合雙向離子選擇性傳輸，開啟了“能量-信息流”的全新應(yīng)用。該Janus膜表現(xiàn)出優(yōu)異的單價離子選擇性，即允許K+，Na+和Cl?等單價離子高效傳輸，抑制Mg2+、Ca2+和SO42?等二價離子的傳輸行為，這可歸因于亞納米通道的尺寸篩分效應(yīng)、通道壁與離子的靜電作用、螯合作用和氫鍵作用的綜合結(jié)果。分子動力學(xué)（MD）模擬和密度泛函理論（DFT）計算同樣證明了二價離子較單價離子在進(jìn)入和傳輸兩個過程能壘更高，最終在通道呈現(xiàn)出單價離子主導(dǎo)的傳輸行為。在能量捕獲方面，NP-MXene膜在50倍鹽度梯度下實現(xiàn)了極高的滲透功率密度85.1 W m?2和創(chuàng)紀(jì)錄的181.5 mV滲透電壓，這是單個器件中報道的最高值。在信息傳遞方面，利用不同離子傳輸所產(chǎn)生的特定離子信號，實現(xiàn)受鹽度梯度調(diào)控的離子傳輸行為，在離子電子晶體管中實現(xiàn)不同的“截止”、“線性”和“飽和”狀態(tài)，從而在無需外部柵極電壓的情況下實現(xiàn)人機(jī)交互和信號編碼。該研究凸顯了多離子選擇性通道在復(fù)雜流體系統(tǒng)中的潛在作用，為穩(wěn)定的神經(jīng)形態(tài)信息處理、先進(jìn)的二維離子邏輯控制以及可擴(kuò)展的高性能離子電子學(xué)器件的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

課題組介紹：

北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員魏迪是離子電子學(xué)(Iontronics)實驗室負(fù)責(zé)人，北京市政府特聘專家、首都科技領(lǐng)軍人才，歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士 (MEASA)，歐洲科學(xué)院院士 (FEurASc)，美國國家發(fā)明家科學(xué)院院士 (FNAI)，英國皇家化學(xué)會會士(FRSC)，英國材料、礦物與礦業(yè)學(xué)會會士 (FIMMM)，劍橋大學(xué)Wolfson學(xué)院高級研究員。目前，以通訊/第一作者在Nat. Energy, Nat. Commun., Sci. Adv., PNAS, Joule, Matter, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Energ. Environ. Sci., Chem. Soc. Rev.等國際期刊發(fā)表論文130余篇；擁有國際專利申請（含PCT）200余項、獲授權(quán)專利100余項，多項專利成功實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)移給包括芬蘭諾基亞、美國Lyten等公司。聚焦納米技術(shù)在能源和傳感上的應(yīng)用，在Wiley、劍橋大學(xué)等出版社出版英文專著6部。國際電化學(xué)協(xié)會(ISE) Brian Conway Prize得主，曾獲得過ISE與RSC等國際學(xué)術(shù)組織多項獎勵。團(tuán)隊最新研究成果被中國工程院院士館科研進(jìn)展、Cell出版社、麻省理工技術(shù)評論、DeepTech和美國物理學(xué)會(phys.org)等期刊和媒體報道。

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來源：高分子科學(xué)前沿

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