2021年1月21日，南京工业大学金万勤团队在Nature Reviews Materials（IF=71） 在线发表题为“Artificial channels for confined mass transport at the sub-nanometre scale”的综述文章，该综述讨论了亚纳米级的人工通道（即，具有亚纳米物理尺寸或亚纳米级尺寸差异的分子或离子的选择性转运的通道），并回顾了其进展。

在纳米孔，1D纳米管和2D纳米通道的设计，制造和结构调整方面已经取得了进展。 该综述专注于有限的质量传输机制，包括有关通道的结构和化学性质如何调节气体，液体和离子的传输行为的详细信息。该综述还将概述将这些通道加工成膜或用于各种应用的设备的发展，描述挑战并确定未来研究的有益领域。

在过去的几十年中，具有狭窄空间的固态通道可以选择性地传输亚纳米级（sub-nm）尺寸的小分子（例如，气体，液体和离子），引起了越来越多的关注。特别地，这些通道在能量存储和转换，化学传感和分子分离领域中显示出巨大的潜力。然而，它们的实际应用在效率，稳定性和可扩展性方面一直面临挑战。要开发亚纳米通道，需要了解传质特性，从而可以合理设计通道。

合成渠道可以从生物系统中大量存在的自然渠道中获得启发。具有不同的结构和功能，生物体内的生物通道在生命的许多过程中都起着至关重要的作用。通道是由特定的蛋白质形成的，这些蛋白质可以将分子和离子转运通过膜，以便将营养物泵入细胞，产生电信号，调节细胞体积并在上皮层中分泌电解质。实际上，长期以来在这些渠道中一直观察到高运输效率。例如，钾离子通道的传输速率为每秒10^8个钾离子（接近扩散极限），但拒绝其他类型的离子（包括钠离子）。

水通道蛋白1（AQP1）等生物水通道已显示出极好的水渗透性（每亚基每秒约3×10^9个水分子），并且对所有离子（包括质子）都具有出色的排斥能力。AQP1也是CO2分子运输的重要生理通道，其渗透性达到AQP1亚基每秒约1.2×10^5个分子。高质量的传输效率源于独特的通道结构，均匀的亚纳米限制和良好的界面特性。但是，这些生物通道在大规模工业应用中使用时，会产生较差的扩展规模，效率和稳定性很低，这些应用会创建与活生物体完全不同的物理和化学环境。

研究人员试图开发出具有与其生物学对应物相似的质量传输特性的人工通道。迄今为止，通道结构主要有三种类型：纳米孔，一维纳米管和二维纳米通道。这些通道具有持久的空腔，可以在分子规模上区分大小相似的分析物。纳米孔材料是通道的关键组成部分之一，可分为以下几类：无机物（例如沸石），有机物（例如微孔有机聚合物），杂化物（例如，金属有机骨架（MOF）和金属有机笼子）和碳（例如碳纳米管（CNT）和碳分子筛）。由于石墨烯和相关材料的兴起，已经开发出二维材料来制造多孔质输运通道。这些合成通道具有各种尺寸，并适用于（亚）纳米尺度的不同质量传输机制。它们显示出空前的传质速率和精确的分离特性，甚至可以超越其生物学同类产品。

在本综述中，讨论了亚纳米级的人工通道（即，具有亚纳米物理尺寸或亚纳米级尺寸差异的分子或离子的选择性转运的通道），并回顾了其进展。在纳米孔，1D纳米管和2D纳米通道的设计，制造和结构调整方面已经取得了进展。 该综述专注于有限的质量传输机制，包括有关通道的结构和化学性质如何调节气体，液体和离子的传输行为的详细信息。该综述还将概述将这些通道加工成膜或用于各种应用的设备的发展，描述挑战并确定未来研究的有益领域。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41578-020-00268-7

来源：iNature微信公众号