近日，中國科大蘇州高等研究院張振教授團(tuán)隊在《Nature Communications》上發(fā)表了題為“High-performance solid-state proton gating membranes based on two-dimensional hydrogen-bonded organic framework composites”的研究論文。

生物離子通道由于其零電流閉合狀態(tài)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的門控效應(yīng)。然而，人工納米通道的門控能力通常不及生物通道，這主要是因?yàn)檩^大的納米孔無法在關(guān)閉狀態(tài)下完全阻斷離子傳輸。本研究設(shè)計并合成了一種固態(tài)氫鍵有機(jī)框架基膜，實(shí)現(xiàn)了高性能的由環(huán)境濕度控制的質(zhì)子門控。該門控機(jī)制并非依賴傳統(tǒng)的離子阻斷/激活效應(yīng)而是通過切換質(zhì)子傳輸路徑來實(shí)現(xiàn)。通過密度泛函理論計算表明，框架內(nèi)由濕度誘導(dǎo)的水橋的可逆形成和破壞，促進(jìn)了質(zhì)子傳輸模式從吸附位點(diǎn)跳躍到Grotthuss機(jī)制的轉(zhuǎn)換。之后本研究引入了細(xì)菌纖維素，增強(qiáng)了水團(tuán)簇的脫附和吸附性能，使其實(shí)現(xiàn)了高達(dá)5740的超高質(zhì)子門控比，超過了最先進(jìn)的固態(tài)門控裝置。在此之外，本研究所開發(fā)的膜完全基于固態(tài)原理運(yùn)行，這使其在從環(huán)境檢測到人體健康監(jiān)測等諸多應(yīng)用中都具有很高的通用性。本研究為高效質(zhì)子門控系統(tǒng)的設(shè)計提供了思路。

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本文的第一作者為中國科大蘇州高研院博士后雷丹丹和中國科大納米學(xué)院碩士生王藝翔。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56228-8