中国科大实现高效仿生质子门控系统

近日，中国科大苏州高等研究院张振教授团队在《Nature Communications》上发表了题为“High-performance solid-state proton gating membranes based on two-dimensional hydrogen-bonded organic framework composites”的研究论文。

生物离子通道由于其零电流闭合状态表现出强烈的门控效应。然而，人工纳米通道的门控能力通常不及生物通道，这主要是因为较大的纳米孔无法在关闭状态下完全阻断离子传输。本研究设计并合成了一种固态氢键有机框架基膜，实现了高性能的由环境湿度控制的质子门控。该门控机制并非依赖传统的离子阻断/激活效应而是通过切换质子传输路径来实现。通过密度泛函理论计算表明，框架内由湿度诱导的水桥的可逆形成和破坏，促进了质子传输模式从吸附位点跳跃到Grotthuss机制的转换。之后本研究引入了细菌纤维素，增强了水团簇的脱附和吸附性能，使其实现了高达5740的超高质子门控比，超过了最先进的固态门控装置。在此之外，本研究所开发的膜完全基于固态原理运行，这使其在从环境检测到人体健康监测等诸多应用中都具有很高的通用性。本研究为高效质子门控系统的设计提供了思路。

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本文的第一作者为中国科大苏州高研院博士后雷丹丹和中国科大纳米学院硕士生王艺翔。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56228-8