科學家首次提出「量子限域超流體」概念

2020-11-30 科學網

 

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。信號可以基於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。這些功能高度依賴於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於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常緩慢的。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。

 

近日，中國科學院院士、中國科學院理化技術研究所研究員江雷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」，並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。結合該課題組近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 5814-5818），他們發現仿生體系也存在量子限域超流現象，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）。最後，他們在展望中指出，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《中國科學-材料》（SCIENCE CHINA Materials）上，論文標題為Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial。（來源：中國科學院理化技術研究所）

 

 

 

圖1 生物離子通道和人工離子通道均存在超快離子和水傳輸

 

 

圖2 人工一維納米通道中的超快水傳輸與「量子隧穿流體效應」概念

 

 

圖3 二維表面液體的超鋪展和二維界面的超快水傳輸

 

 

圖4 引入QSF概念到化學和生物學領域將產生QSF化學和QSF生物學

 

 

 

 

 

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