近日，beat365官方网站量子材料科學中心、輕元素先進材料研究中心江穎教授、徐莉梅教授、王恩哥院士與beat365化學與分子工程學院高毅勤教授、beat365定量生物學中心宋晨研究員等合作，利用自行研發的基于高階靜電力的qPlus型原子力顯微鏡（qPlus-AFM）技術，結合第一性原理計算和分子動力學模拟，發現表面上的堿金屬離子在水分子作用下能夠産生等效吸引力，從而克服離子間的強庫侖排斥力，自發聚集成高度有序的一維鍊狀結構，該結果為理解離子通道内離子的超快輸運提供了微觀物理圖像。2023年12月4日，相關工作以“水分子誘導的界面處堿金屬離子的一維聚集”（Nanoscale one-dimensional close packing of interfacial alkali ions driven by water-mediated attraction）為題，在線發表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。

在生物離子通道中，離子的高透過性和高選擇性對于生物細胞内外離子平衡的維持極為重要。這種離子傳輸現象也是海水淡化、離子電池和信息傳遞等多個領域的研究焦點。然而，由于缺乏原子層次的實驗表征，離子通道的傳輸機制仍存在争議。例如，在生物鉀離子通道中，鉀離子的傳輸方式究竟是緊密排布的直接庫侖撞擊（directCoulombknock on）還是有水分子介導的松散庫侖撞擊（softCoulombknock on），這一點尚未有定論。最近，二維人工離子通道的研究也發現，在高離子濃度下會發生超快選擇性輸運，并推測與離子的密堆積有關，但具體機制并不清楚。因此，實驗上直接揭示離子及水分子在受限環境中的微觀結構對于澄清離子通道的輸運機制非常必要。

為了模拟受限環境，研究人員在不同的材料表面（Au，Pt，Graphene等）沉積了單層和亞單層的堿金屬原子與水分子。堿金屬原子與襯底發生電荷轉移形成堿金屬離子，并與水分子結合形成水合離子。對于鉀離子，其單個水合物是由一個鉀離子結合四個水分子形成。水合鉀離子可以通過脫水聚合，形成緻密鍊狀結構，脫去的水分子在鍊側邊形成額外的氫鍵以穩定整個結構。相比之下，鈉離子與水分子之間的相互作用更強，鈉離子之間有水分子介入，導緻其無法緊密排列，而且含有更加延展的氫鍵網絡（Fig. 1）。研究表明，水分子-水分子與水分子-離子相互作用之間的競争，會導緻等效的離子吸引力，從而克服離子間的強庫侖排斥力，驅使離子一維聚集。

圖1 Au(111)表面上鉀離子、鈉離子與水分子自組裝形成的一維網絡STM實驗圖（第一列），高分辨AFM實驗圖（第二列，第三列）以及原子結構模型圖（第四列）。

在水的二維網絡中，研究人員發現堿金屬離子在高濃度下也會形成一維的緻密離子陣列。此現象與凝聚态物理中關聯電子材料的電子向列相有相似性，都源于某些相互作用之間的競争。離子-離子間相互作用以及水分子-水分子間相互作用相當時，便會導緻離子向列相。一旦形成一維離子鍊和離子向列相，離子的輸運就不再是個體行為，而是采取類似于“牛頓擺”的庫侖撞擊模式。相比于無序的離子擴散，這種集體運動模式會顯著促進離子定向快速輸運。

圖2牛頓擺模型示意圖與水合鉀離子向列相高分辨AFM圖與原子結構模型圖。

離子通道的高選擇性和高透過率與受限環境下水合離子的微觀結構高度相關。本工作首次在原子尺度上揭示了堿金屬離子與水分子在表面上形成緻密離子鍊與離子陣列，突顯了離子-離子、離子-水和水-水相互作用之間的複雜競争在離子自發聚集和結構相變中的關鍵作用，有助于理解離子通道的超快離子輸運機制。此外，這些離子鍊中鉀離子可緊密接觸，而鈉離子之間有水分子介入，這一發現為鉀離子通道在傳輸速率上通常優于鈉離子的現象提供了可能解釋。

beat365官方网站量子材料科學中心田野和洪嘉妮（掃描探針實驗）、宋易知（第一性原理計算）、beat365化學與分子工程學院夏義傑（分子動力學模拟）為文章的共同第一作者，高毅勤、徐莉梅、王恩哥和江穎為文章的共同通訊作者，宋晨為實驗結果的解讀提供了重要幫助。這項工作得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃項目、新基石研究員項目與科學探索獎等經費支持。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01550-9