向自然學習是永恒的主題。生命中的離子通道具有離子選擇性、門控性及整流性，可實現特定離子的選擇性跨膜運輸。鉀離子通道（KcsA）是常見的生命體離子通道，可實現K+/Na+的高效選擇性傳輸，選擇比達104。生物鉀離子通道具有埃米級的尺寸以及豐富的表面結合位點，每秒可以轉運108個鉀離子。
納米結構材料和納米制備技術的興起促進了具有高效、精密的離子選擇性傳輸的仿生納米通道膜的快速發展。這些材料與技術實現納米限域環境下的埃米級離子通道的構筑，在尺寸上實現離子的初步分離。通過引入相應的基團，通道表面實現功能化，利用離子與功能基團作用力的差異，實現離子的進一步篩分。由于鋰、鈉、鉀等離子具有相同的價態以及相似的離子半徑，有效的單價離子篩分目前仍是挑戰。
近日，中國科學院理化所研究員聞利平與吉林大學化學院教授賁騰（現為浙江師范大學教授），在Nature Communications（DOI：10.1038/s41467-022-29382-6）上發表研究性論文。該研究受生物KcsA通道的啟發，將一種螺旋多孔有機鹽分子籠（CPOS）原位生長在錐形納米孔中，實現鉀離子的快速選擇性傳輸以及單價離子的篩分作用。在亞納米尺度上，錐形結構的雙螺旋通道表現出典型的離子整流行為，鉀離子的傳輸速度達94.4 mmol m-2 h-1，其中，K+/Li+和K+/Na+的選擇性比分別為363和31。實驗和模擬表明，這種選擇性傳輸或是陽離子-π和靜電相互作用的協同效應使Li+和Na+的傳輸能壘更高所致。該研究為設計與制備具有高性能K+離子篩分的仿生器件提供了有效方法。
生物鉀離子通道依賴于非對稱的離子通道以及在亞納米限于空間表面基團對鉀離子的高度選擇性傳輸。構建具有類似KcsA的仿生離子通道有望實現K+離子的高效分離。研究利用徑跡蝕刻后的聚酰亞胺膜制備出錐形的納米通道，運用原位合成策略，將CPOS材料組裝到上述單錐納米通道中，從而獲得仿生鉀離子通道膜材料。
實驗結果表明，仿生離子通道可以實現鉀離子的快速傳輸，其中K+/Li+的選擇性達363，并具有優異的循環性能。與其他文獻報道的數值相比，其分離性能達到先進水平。
這種鉀離子通道有望在水處理、能量轉換以及離子電池等方面得到進一步應用。中國科學院大學未來技術學院、浙江師范大學科研人員參與研究。