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02
2026
-
07
Science子刊：仿生MXene膜实现双向离子传输
作者：
研究背景
在生物体系中，渗透效应不仅是神经信息传递的基础，也是可持续能源转换的关键驱动力。神经细胞通过离子通道调控Na⁺、K⁺、Ca²⁺等离子的跨膜流动，产生动作电位以实现信号快速传导；同时，线粒体和叶绿体中的质子梯度则驱动ATP合成，将渗透能转化为化学能。这种“能量-信息流”的统一机制为人工离子通道的设计提供了重要启示。近年来，纳米限域通道展现出双电层重叠、离子库仑阻塞等新奇现象，为离子操控开辟了新途径。然而，传统人工膜仅能单向选择性传输阳离子或阴离子，导致在50倍盐度梯度下膜电压被限制在约100 mV，严重制约了渗透效应的实际应用潜力。如何在单一膜体系中实现双向、*的离子选择与协同传输，仍是该领域面临的核心挑战。
本文摘要
渗透效率从根本上受限于膜离子选择性与渗透性之间的平衡，这一挑战既是生物信号传输的核心问题，也是可持续能源转换的关键。传统膜仅能实现阳离子或阴离子的单向传输，严重限制了其多功能性和性能。受氯离子电压门控通道5（ClC-5）的启发，设计了一种仿生Janus NP-MXene膜，该膜具有亚纳米通道（约6.0 Å）和优异的结构完整性，能够实现Na⁺/Cl⁻的受控同步传输，并具有*的选择透过性。在50倍盐度梯度下，NP-MXene膜实现了85.1 W/m²的功率密度和181.5 mV的渗透电位，均为单器件报道的*高值。利用多离子传输产生的离子特异性信号，我们进一步展示了一种离子电子晶体管，该晶体管能够通过盐度梯度调节离子流，无需外部栅极电压。这一进展实现了编码信号和机器人控制，可用于先进的人机交互界面。纳米流体通道的可规模化制备为高性能离子电子学的发展提供了*的能量-信息流平台。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/FrgbV9WjJz4DlVyfN29UAA
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