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江雷院士團隊:量子限域超流體研究進展
發布:blast_k   時間:2019/5/27 12:04:04   閱讀:163 
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生物離子通道在物質轉移、能量轉換和信號傳輸等多種生理過程中起著重要作用。信號可以基于生物離子通道在視覺、嗅覺、聽覺和觸覺等過程中經神經傳遞到大腦。這些功能高度依賴于具有選擇性的生物離子通道的高速離子傳輸(每個通道每秒107個離子)。這種超快物質傳輸源于離子通道的特殊性質,例如,小尺寸、獨特的結構和表面電荷分布等,從而導致離子和分子以單鏈形式進行超快傳輸。從經典熱力學角度看,具有化學選擇性的納米通道的物質傳輸應該是非?;郝?。然而,在生命體系中,離子和分子的快速傳輸表現出量子化的超快流體狀態。 例如,NaK通道每次只能容納一個水合Na+離子;K通道含有兩個相距約7.5埃的K +離子,中間有一個水分子;每個Ca離子通道也同時結合兩個Ca2+離子。

2018年,中科院理化所江雷院士首次將生物孔道中離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸定義為“量子限域超流體”,并指出限域孔道內離子和分子的有序超流為“量子隧穿流體效應”,該“隧穿距離”與量子限域超流體的周期相一致。同時他們發現仿生人工體系也存在量子限域超流體現象,例如人工離子通道和水通道內物質的快速傳輸(每秒~106個離子)。最后在展望中指出,通過把量子限域超流體概念引入化學領域, 將引發出精準化學合成,即量子有機、無機、高分子反應等。而引入到生物學領域,將產生量子超流的生物化學、生物物理、生物信息學以及生物醫學等。在此基礎上,也將產生其他的新科學和新技術。文章發表在Science China Materials (Sci. China. Mater., 2018, 61, 1027)上。


圖1 量子限域超流體: 從自然到人工

納米通道浸潤性研究對于解決界面化學和流體力學中遺留的眾多挑戰性問題至關重要,并廣泛應用于物質傳輸、納米限域催化、限域化學反應、納米材料制備、能量儲存和轉化、液體分離等領域。納米通道的尺寸是影響液體浸潤性的關鍵因素,當通道直徑小于10納米時,通道內液體由于限域效應出現非連續流體行為;當通道直徑大于10 納米時,通道為液體提供更大的受限空間,適用于液體傳輸和納米材料制備。經過二十多年的發展,納米通道浸潤性研究仍面臨許多挑戰,其中最大的挑戰是探索納米通道中非連續流體的物理來源。為此,江雷院士和張錫奇副研究員在Advanced Materials (Adv. Mater., 2019, 31, 1804508)上發表了題為“Wettability and Applications of Nanochannels”的綜述文章。文章首先介紹 “量子限域超流體”概念,并用于解釋納米通道中超快物質傳輸和非連續流體行為。隨后,文章分別在理論和實驗上總結了一維、二維和三維納米通道浸潤性,從分子模擬、液體浸潤性、外部刺激(溫度和電壓)調控浸潤性、熔體和液體浸潤限域策略、液體傳輸和限域納米材料制備等方面對納米通道浸潤性與應用進行論述。最后,文章在展望中指出,“量子限域超流體”概念將為理解納米通道中非連續流體行為提供新思路,并將引發一場量子限域化學的革命。


圖2 納米通道浸潤性與應用

納米限域化學反應通常比通道外部和體相中反應具有更高的選擇性和反應效率。然而,納米限域作用增強反應性能的本質機理仍不明確,這成為納米限域化學反應領域的一個亟待解決的挑戰性難題。為此,江雷院士和張錫奇副研究員在Advanced Materials Interfaces (Adv. Mater. Interfaces. 2019, 6, 1900104)上發表了題為“1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction”的文章。文章首先概述了一維納米限域化學反應的發展現狀,包括有機合成、聚合反應,以及金屬表面的納米限域預組裝反應。受生物DNA合成的程序化組裝反應啟發,通過結合量子限域超流體概念和前線分子軌道理論,文章提出了“有序組裝反應”的新概念,用于理解納米限域作用增強反應性能的本質機理。一方面,受納米限域作用的影響,反應物分子將有序排列并且轉變分子構型,以滿足前線軌道理論的對稱性匹配原則,降低反應能壘,提高反應活性和立體選擇性。另一方面,通道內的反應物分子流體將呈現出量子限域超流體特征的超快流動,在保證高反應效率的同時減少反應物和催化劑的接觸時間,抑制副反應的發生,提高產物的選擇性。此外,反應物分子在催化劑表面的快速吸附-解吸附過程可降低催化劑失活或中毒的幾率,延長催化劑壽命。因此,一維納米限域化學反應的選擇性和反應效率均能得到進一步提升。最后,文章在展望中指出,“有序組裝反應”概念的提出,將促進界面催化化學理論的發展,實現高反應效率、高產率和高選擇性的集成優化,為化學、化工和合成生物學等領域的未來發展開辟新的道路。


圖3 基于量子限域超流體的有序組裝反應

傳統的Hodgkin-Huxley模型認為,神經信號傳輸是通過動作電位沿著神經元軸突進行傳播,動作電位是由K+/Na+在Na/K泵的離子擴散產生的,而其余大部分Na/K泵是靜止的。這種離子流體是熵驅動的無序流體,離子擴散過程需要消耗大量能量,類似于多米諾骨牌效應,傳播速度相對較慢(~1 m/s),不適用于解釋神經信號的超快傳輸。為此,江雷院士和張錫奇副研究員在Nano Research (Nano Res., 2019, DOI:10.1007/s12274-019-2281-3)上發表了題為“Quantum-confined ion superfluid in nerve signal transmission”的文章,提出了基于量子限域離子超流體(QISF)的神經信號傳輸過程,認為QISF是焓驅動的限域有序流體,K+/Na+同時在所有Na/K泵通道進行快速傳輸,離子傳輸過程沒有能量損耗,并產生沿著神經傳輸方向超快傳播的離子密度波(QISF波),作為神經信號傳輸的信息媒介。QISF波和動作電位在傳播過程中不相干。同時發現K+和Na+的德布羅意波長比直徑小一個數量級,但原則上離子的德布羅意波長應遠大于離子直徑,表明德布羅意波長公式不適用于描述離子在生物通道中的量子效應。QISF過程的提出,不僅為神經和大腦中超快信號傳輸的合理解釋提供了新的視角,而且對離子、分子和粒子的物質波理論提出了挑戰。


圖4 基于量子限域超流體的神經信號傳輸

近日,江雷院士和張錫奇副研究員在Nanoscale Horizons (Nanoscale Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C9NH00214F)上發表了題為“Quantum-confined ion superfluid”的文章,介紹了量子限域超流體領域的最新研究進展,包括量子限域超流體的概念及其在化學和生物領域中的應用,并對其適用范圍和局限性進行討論。文章在展望中指出,量子限域超流體概念作為對傳統理論的挑戰,將極大地促進納米限域化學反應和納米材料合成的發展,拓展納米通道(甚至是亞納米通道)的應用;并將開辟量子離子學的新領域,顛覆對神經科學和腦科學中神經信號傳輸等問題的理解,拓展生物物理、生物信息學以及生物醫學等學科的發展,挑戰傳統的物質波理論等。論文第一作者是江雷院士團隊的博士后郝雨薇,相關工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和高等學校學科創新引智計劃的大力支持。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1007/s40843-018-9289-2

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201804508

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.201900104

https://doi.org/10.1007/s12274-019-2281-3

https://doi.org/10.1039/C9NH00214F

來源:中國聚合物網

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