Matter | 这个不到1纳米的孔道，在告诉我们什么？

世界上有一种特别细微的道路，小到只有不到头发丝的六万分之一（1纳米）宽。它们普遍存在于生命体的细胞表面，特定的物质微粒从中进进出出，影响着我们的心跳、肌肉收缩、神经信号传输甚至喜怒哀乐等诸多重要的生理活动，科学家称之为“离子通道”。

这条当之无愧的生命要道，其最基本的“交通规则”是什么呢？这是一个长久以来的科学问题，也是生物物理学家的研究视角。他们需要透过纷繁复杂的生命现象去简化抽象出一个模型，探寻具有普遍有意义的规律。在浙江大学化学系冯建东研究员的实验室，研究人员构建了一个通道模型，它的核心部分是一个孔，它可以容纳最多三个离子和一些水分子。随后，他们通过实验观察到了离子在孔道中新奇的关联离子传输行为。相关研究结果发表于6月17日上线的Matter杂志。

图：基于二硫化钼纳米孔的人工离子通道模型（制图：徐扬）

生命体中的离子通道是镶嵌在细胞膜上的蛋白质分子，在特定情况下允许特定的离子通行；而冯建东团队构建的“形而上”的离子通道，则是由三层原子厚的二硫化钼薄膜组成的，直径不到1纳米。“据我们所知，这是目前人工构建的直径最小的‘离子通道’之一，它与生命体中的离子通道尺度是接近的。”冯建东说，正因为尺度到了一个新的极限，过去的研究框架就需要随之调整，这是研究人员重点关注的问题。

过去，描述离子传输的模型是基于平均场和连续的单离子输运框架。在这种过程中，离子间的相互作用通常被平均化处理，并不是影响传输状态的关键因素。“但当尺度缩小到纳米级，一个孔道中最多只有3个离子时，情况会变得非常不同。这时候，离子所带的基本电荷以及离子间的相互作用就对传输状态有关键影响。”冯建东解释说，“打个比方，一个房间有一大群人，人与人之间的相互作用可以给个平均值处理；但当一个房间只剩下两三个人时，这两三个人之间的相互关系和个体独立性就会对房间的气氛形成重要影响。”

在这个不到1纳米宽的狭小空间中，课题组通过光电控制孔道表面的电荷分布，进而观察到一些新的现象。“我们在固定电压下测量了离子电流，发现离子的电流与激光功率密度并不是线性相关，而是间断性地出现多个峰值，这与基于连续的传输模型不符，需要新的机制解释。”论文第一作者，博士生陈凡凡说，这种行为可以同电子库伦阻塞中产生电导震荡的现象进行类比，称之为离子库伦阻塞。通过与浙江大学定量生物研究中心周如鸿教授团队合作，课题组对其原子尺度过程做了分子动力学模拟。

“我们认为，这种导电性能的震荡现象与孔道入口处离子间的相互作用和多离子传输高度相关，空隙内部的离子会对外部的离子静电排斥。”冯建东说，“这些非连续纳米流体学现象是以往的平均场模型中所没有被考虑到的。” 冯建东认为，鉴于许多生命科学领域的研究专注于探讨不同离子通道的分子结构与功能之间的关系，“在我们的研究中，我们观察到不受分子构象影响的一些共性特征与规律，这说明，其中还有更为本质性的规律还有待于发掘。这些根本性问题的探索，有赖于抽象模型的构建与实验，其中获得的认识也将有望完善、加深人类对生命现象的理解。”

人工离子通道的构建，一方面有助于人们探寻生命现象背后本质的运行规律，另一方面，科学界也尝试去开发出更多的新颖的工具与材料。冯建东博士本科毕业于浙大化学系，博士毕业于瑞士洛桑联邦理工学院，2018年初加入浙大化学系开展独立工作，从事单分子物理学工具的开发及应用，研究溶液体系单分子物理化学过程和现象。主要研究方向为纳米流体学、单分子测量和多维度超分辨光学成像。