江雷院士Acc. Chem. Res.：师法自然，离子/分子超流体研究

景行 2年前 (2022-05-11) 3479浏览

一、【导读】

生命系统在高效的能量转换、信息传输和生物合成方面表现出超低的能量消耗。人体每天需要摄入的总能量约为2000千卡(kcal)，才能维持所有的活动，功率约为100 W。大脑工作所需的能量相当于~20 W，剩下的能量(~80 W)用于其他活动。所有的体内生物合成都只在体温下进行，这比体外反应温度要低得多。要实现这些超低能耗过程，需要在纳米通道(如离子通道和分子通道)中进行一种超低阻抗的物质传输，其中离子或分子的定向集团运动（而不是传统的牛顿扩散）是必要条件。离子和分子的定向集团运动被认为是离子/分子超流体。

离子/分子超流体形成的驱动力需要两个必要条件:(1)离子或分子被限域在一定的距离内(约为2倍离子德拜长度(2λD)或约为2倍分子范德华平衡距离(2d0))。(2)当粒子的吸引势能(E0)大于热噪声(kBTc)时，可以形成离子/分子超流体。离子/分子超流体的概念将促进对生物系统中超低能耗能量转换的理解。

二、【成果掠影】

近日，中科院理化技术研究所江雷院士讨论了生命系统如何在高效的能量转换、信息传输和生物合成中呈现超低能耗。生命科学中这一关键问题的答案可能是一种超低阻抗物质传输或离子/分子定向集团运动。作者进一步总结了离子/分子定向集团运动的超低阻抗要求。

电鳗身体的摆动和心脏复苏是机械能向电能的转换，机械调制可能导致离子的集团运动，即离子相干共振的宏观量子态。心肌细胞内Ca2+的相干共振可以诱发心跳，实现生物系统从电能到机械能的转换。离子通道的宏观量子态被认为是神经信息的载体，环境场可能在调节各种离子通道的宏观量子态方面发挥重要作用。在生物离子通道系统中，离子通道与它们所释放的光子之间的耦合可以产生环境波，环境波又可以将通道中的离子振荡调节到相干状态。退相干和相干的状态可能对应于睡眠和行为的状态。

作者还证明了ATP分解为ADP释放出的频率为~34 THz的光子，可以进一步推动DNA聚合酶纳米腔内的DNA聚合。作者提出光化学反应(中红外和远红外)可能是高效生物合成的驱动力。在不同微孔结构膜的管式反应器中，可以进一步设计由多个中远红外多光子共振驱动的量子化合成，以实现低能耗、高效率的合成。最后，作者指出玻色-爱因斯坦凝聚可能广泛存在。作者期望本文将为生命科学的关键问题提供新的思路:生命系统如何在高效的能量转换、信息传输和生物合成中呈现超低能耗?

相关研究成果以“From Dynamic Superwettability to Ionic/Molecular Superfluidity”为题发表在Acc. Chem. Res.上。

三、【核心创新点】

√生命系统在高效的能量转换、信息传输和生物合成方面表现出超低的能量消耗，本文揭示其原因可能是一种超低阻抗物质传输或离子/分子定向集团运动；

√本文指出了离子/分子超流体领域仍然存在的挑战：例如，应该开发新的表征方法和技术来研究离子/分子超流体。人工通道(沸石、共价有机框架、金属有机框架、二维层状材料膜)可用于探索生物通道的超低阻抗流动性。需要新的理论模拟来研究与信息传输和生物合成有关的离子/分子超流体。

四、【数据概览】

图1 在高效的能量转换、信息传输和生物合成方面呈现超低能耗的生命系统 © 2022 ACS

 

图2 能量转换中的离子超流体 © 2022 ACS

 

图3 信息传输中的离子超流体 © 2022 ACS

 

图4 生物合成中的分子超流体 © 2022 ACS

图5 生物光子驱动的DNA聚合 © 2022 ACS

 

图6 分子超流体的中远红外光化学反应 © 2022 ACS

 

图7 离子/分子超流体形成的驱动力 © 2022 ACS

 

作者简介

江雷研究员，1998年回国组建课题组开展独立原创性工作以来，共发表SCI论文800余篇，被引用155000余次，H因子为185（截止本文发稿最新Google Scholar数据）。仿生超浸润领域引起了国际范围内的研究热潮，发表论文数呈现逐年显著上升趋势，截至2021年，发表论文总共超过23000篇。目前为止，世界上共有94个国家、超过1400个研究单位从事超浸润领域的研究。在应用方面，十余项超浸润界面材料体系方案应用于能源领域（浓差发电、高效传热）、健康领域（癌症检测、医用导管）、资源领域（淡水采集、石油增采）、环境领域（油水／乳液／染料分离、农药增效）、材料领域（微加工技术及制备技术）、化工领域（高效高选择性催化体系）。目前已有授权专利70余项，其中一些专利已经实现了技术转化。2021年，超浸润性技术入选IUPAC化学领域十大新兴技术。

2022年3月9日，Nature增刊Nature Index遴选2015-2020年自然指数五强国家（美国、中国、德国、英国、日本）的五名杰出科学家代表，对他们的工作以“Game changers”为题进行了专题评述报导。中科院院士、中科院理化所江雷研究员作为中国代表入选。Nature根据国际上最具影响力的82种自然科学类期刊指出，江雷研究员是2015-2020年期间在仿生、纳米材料领域世界最具影响力的作者。

 文献链接：From Dynamic Superwettability to Ionic/Molecular Superfluidity. Acc. Chem. Res., 2022, 55, 9, 1195–1204

 延伸阅读

  1. Quantum-confined superfluid: From nature to artificial. Sci. China Mater. 2018, 61, 1027–1032
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  5. Quantum-confined superfluid. Nanoscale Horiz. 2019,4, 1029-1036
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