江雷院士团队：量子限域超流体研究进展

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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经神经传递到大脑。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性质，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表现出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。

2018年，中科院理化所江雷院士首次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。同时他们发现仿生人工体系也存在量子限域超流体现象，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。文章发表在Science China Materials (Sci. China. Mater., 2018, 61, 1027)上。

图1 量子限域超流体: 从自然到人工

纳米通道浸润性研究对于解决界面化学和流体力学中遗留的众多挑战性问题至关重要，并广泛应用于物质传输、纳米限域催化、限域化学反应、纳米材料制备、能量储存和转化、液体分离等领域。纳米通道的尺寸是影响液体浸润性的关键因素，当通道直径小于10纳米时，通道内液体由于限域效应出现非连续流体行为；当通道直径大于10 纳米时，通道为液体提供更大的受限空间，适用于液体传输和纳米材料制备。经过二十多年的发展，纳米通道浸润性研究仍面临许多挑战，其中最大的挑战是探索纳米通道中非连续流体的物理来源。为此，江雷院士和张锡奇副研究员在Advanced Materials (Adv. Mater., 2019, 31, 1804508)上发表了题为“Wettability and Applications of Nanochannels”的综述文章。文章首先介绍 “量子限域超流体”概念，并用于解释纳米通道中超快物质传输和非连续流体行为。随后，文章分别在理论和实验上总结了一维、二维和三维纳米通道浸润性，从分子模拟、液体浸润性、外部刺激（温度和电压）调控浸润性、熔体和液体浸润限域策略、液体传输和限域纳米材料制备等方面对纳米通道浸润性与应用进行论述。最后，文章在展望中指出，“量子限域超流体”概念将为理解纳米通道中非连续流体行为提供新思路，并将引发一场量子限域化学的革命。

图2 纳米通道浸润性与应用

纳米限域化学反应通常比通道外部和体相中反应具有更高的选择性和反应效率。然而，纳米限域作用增强反应性能的本质机理仍不明确，这成为纳米限域化学反应领域的一个亟待解决的挑战性难题。为此，江雷院士和张锡奇副研究员在Advanced Materials Interfaces (Adv. Mater. Interfaces. 2019, 6, 1900104)上发表了题为“1D Nanoconfined Ordered-Assembly Reaction”的文章。文章首先概述了一维纳米限域化学反应的发展现状，包括有机合成、聚合反应，以及金属表面的纳米限域预组装反应。受生物DNA合成的程序化组装反应启发，通过结合量子限域超流体概念和前线分子轨道理论，文章提出了“有序组装反应”的新概念，用于理解纳米限域作用增强反应性能的本质机理。一方面，受纳米限域作用的影响，反应物分子将有序排列并且转变分子构型，以满足前线轨道理论的对称性匹配原则，降低反应能垒，提高反应活性和立体选择性。另一方面，通道内的反应物分子流体将呈现出量子限域超流体特征的超快流动，在保证高反应效率的同时减少反应物和催化剂的接触时间，抑制副反应的发生，提高产物的选择性。此外，反应物分子在催化剂表面的快速吸附-解吸附过程可降低催化剂失活或中毒的几率，延长催化剂寿命。因此，一维纳米限域化学反应的选择性和反应效率均能得到进一步提升。最后，文章在展望中指出，“有序组装反应”概念的提出，将促进界面催化化学理论的发展，实现高反应效率、高产率和高选择性的集成优化，为化学、化工和合成生物学等领域的未来发展开辟新的道路。

图3 基于量子限域超流体的有序组装反应

传统的Hodgkin-Huxley模型认为，神经信号传输是通过动作电位沿着神经元轴突进行传播，动作电位是由K⁺/Na⁺在Na/K泵的离子扩散产生的，而其余大部分Na/K泵是静止的。这种离子流体是熵驱动的无序流体，离子扩散过程需要消耗大量能量，类似于多米诺骨牌效应，传播速度相对较慢（~1 m/s），不适用于解释神经信号的超快传输。为此，江雷院士和张锡奇副研究员在Nano Research (Nano Res., 2019, DOI:10.1007/s12274-019-2281-3)上发表了题为“Quantum-confined ion superfluid in nerve signal transmission”的文章，提出了基于量子限域离子超流体（QISF）的神经信号传输过程，认为QISF是焓驱动的限域有序流体，K⁺/Na⁺同时在所有Na/K泵通道进行快速传输，离子传输过程没有能量损耗，并产生沿着神经传输方向超快传播的离子密度波（QISF波），作为神经信号传输的信息媒介。QISF波和动作电位在传播过程中不相干。同时发现K⁺和Na⁺的德布罗意波长比直径小一个数量级，但原则上离子的德布罗意波长应远大于离子直径，表明德布罗意波长公式不适用于描述离子在生物通道中的量子效应。QISF过程的提出，不仅为神经和大脑中超快信号传输的合理解释提供了新的视角，而且对离子、分子和粒子的物质波理论提出了挑战。

图4 基于量子限域超流体的神经信号传输

近日，江雷院士和张锡奇副研究员在Nanoscale Horizons (Nanoscale Horiz., 2019, DOI: 10.1039/C9NH00214F)上发表了题为“Quantum-confined ion superfluid”的文章，介绍了量子限域超流体领域的最新研究进展，包括量子限域超流体的概念及其在化学和生物领域中的应用，并对其适用范围和局限性进行讨论。文章在展望中指出，量子限域超流体概念作为对传统理论的挑战，将极大地促进纳米限域化学反应和纳米材料合成的发展，拓展纳米通道（甚至是亚纳米通道）的应用；并将开辟量子离子学的新领域，颠覆对神经科学和脑科学中神经信号传输等问题的理解，拓展生物物理、生物信息学以及生物医学等学科的发展，挑战传统的物质波理论等。论文第一作者是江雷院士团队的博士后郝雨薇，相关工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和高等学校学科创新引智计划的大力支持。

论文链接：

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

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