人工离子通道的完美Na+/K+选择性，和下一代受电鳗启发的离子能转换

研究者重新审视生物钾离子通道选择性滤器的精细结构发现，结合位点呈层状分布, 每层有4个羰基与K⁺结合，相邻两层位点间有27度的相位旋转，这些结构特征是特异选择性的基础。通过计算机建模，研究者在石墨烯片层上开了一个9.8×9.9 Å的孔，在孔边缘选择对称性较高的4个位点进行羰基修饰。通过修饰位点整体旋转，得到旋转双层石墨烯埃孔。这种结构能够完全阻止Na⁺透过，K⁺的传输速率达到3.5×10⁷ ions/s，达生物孔道的40%，过渡态理论计算的动态选择比近1300。

图1. 将旋转的双层羰基结合位点引入人工离子通道实现严格的Na⁺/K⁺选择性，Na⁺完全不能漏过。

通过追踪K⁺传输的分子轨迹，研究者发现一种新的双离子传输机制，即，每一次成功的K⁺传输，都需要有两个K⁺参与（图2），通过此前仅在生物孔道中发现的软敲击模式(soft knock-on)来实现。Na⁺则因为无法跨越层间能垒，无法到达第二层，就直接退回体相了。更有趣的是，两个带正电荷的K⁺通过层间一分子H₂O的介导，被拉近到仅3.9 Å的距离，形成相互吸引的作用势。类比电子超导的BCS理论，这预示了蕴含K-H₂O-K结构的受限离子流体有望成为一种室温下的超离子导体。

图2. K⁺的传输遵从双离子机制。通过层间1分子水在两个同带正电荷的K⁺间快速切换，形成束缚态的准粒子，介导整个传输过程。

人工K⁺通道成为下一代受电鳗启发的离子能转换的基础(图3)。第一代仿电鳗的盐度差能发电(Salinity gradient power generation)，将不同浓度离子溶液经电荷选择性通道混合。它不可避免的要引入低浓度部分，相当于大幅增加了电池的内阻，成为提升性能的瓶颈。

重新审视电鳗放电原理发现，虽然它也利用无机盐离子的选择性扩散，但电鳗起电细胞中，并不存在整体离子浓度较低的部分，因为要维持细胞膜两侧渗透压平衡。它利用 Na⁺和K⁺两种组份的不同配比，形成胞外高Na⁺浓度，低 K⁺浓度；胞内高K⁺浓度，低Na⁺浓度的溶液环境，再通过Na⁺或K⁺特异性的离子通道，进行膜两侧高浓度下的渗透能转换。

研究人员通过混合等浓度KCl和NaCl溶液(1M)，实现了基于Na⁺/K⁺选择性的渗透能发电(Na⁺/K⁺-selectivity enabled osmotic power generation)。单孔产生的电功率虽然只有微不足道的0.13 pW，但由于孔道尺寸仅有几个Å，可以轻易实现10¹⁶/m²的超高数密度，而此时的孔隙率还不到1%，浓度极化的影响很小，有望实现千瓦级的功率密度。

图3. 受电鳗启发的离子能转换原理的两代进化。