水過濾器是否能像細胞一樣思考，決定進出物質的過程？芝加哥大學和西北大學的科學家們正朝著這一目標邁進。
這個團隊通過模擬生物細胞如何控制離子（帶電粒子）在其膜內微觀通道中的流動，構建了一種可以調整以增強或抑制特定離子通過的人工系統，類似於擁有生物本能的智能膜。
研究人員發現，添加微量金屬離子，如鉛、鈷或鋇，可以顯著改變鉀在合成的埃安級 2D 納米通道中的流動量。僅僅 1% 的鉛離子增加便使鉀的流量翻倍，並非因為更強的推動，而是通過減緩競爭離子的速度，使鉀能與氯結合，形成中性化合物，更加順利地通過。
研究的共同第一作者王明展表示：「我們研究中最令人興奮的部分是，我們展示了在埃安級 2D 通道中，離子運輸在其他離子存在的情況下如何劇烈改變，即使是微小的比例。」
這種通過調整離子混合來增強或抑制離子流的能力，使工程師更接近於構建能夠根據需求進行反應的膜系統。這種控制能力可能改變水中毒素的去除方式，回收如鋰等有價值的礦物質，甚至管理未來基於流體的電子設備中的流動。
這一突破的核心是一種微小但強大的相互作用。離子攜帶電荷——正或負——當它們在通道中移動時，這些電荷與通道壁及彼此之間相互作用。研究團隊發現，當鉛離子與通道壁上的醋酸根結合時，會微妙地改變電場環境。這種變化足以使帶負電的氯離子減速，從而能與鉀同步，形成中性氯化鉀對，更容易通過膜。
西北大學化學教授喬治·沙茨解釋道：「沒有任何帶電的物質想要與之互動，因此新的分子能比兩個離子單獨流經通道時更快地流過。」
同樣有趣的是，這一效果可以逆轉。添加鈷或鋇會通過與鉛競爭結合位點來破壞這一配對，減少鉀-氯化物對的形成。共同第一作者熊琴思表示：「通過改變離子物種的組合，我們能夠將協同效應轉變為抑制效應，理解基礎物理是至關重要的。」
為此，研究團隊使用定制的非平衡分子動力學模擬，結合離子誘導的偶極相互作用來模擬原子級別的運輸過程。熊琴思表示：「我們設計了一個非平衡分子動力學模擬，將離子誘導的偶極相互作用納入其中，模擬這個 2D 納米通道中的離子運輸。我們的結果與實驗結果一致，這表明我們所納入的物理模型是正確的。」
鉀的運輸速度減緩，猶如將開關從「開」切換到「關」。這是一個動態、可控的系統，回響著生物細胞的驚人選擇性。
這項研究的影響可能會超越實驗室。未來，膜可能會實時適應水的污染，僅去除有害離子。設備有可能從海水中提取鋰，並且產生最少的廢物。在電子學領域，離子作為流體計算的基礎，程式化的離子流可能解鎖全新的技術。這些發現最近發表在《Nature Communications》。
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