生物離子通道在物質(zhì)轉(zhuǎn)移、能量轉(zhuǎn)換和信號傳輸?shù)榷喾N生理過程中起著重要作用。信號可以基于生物離子通道在視覺、嗅覺、聽覺和觸覺等過程中經(jīng)神經(jīng)傳遞到大腦。這些功能高度依賴于具有選擇性的生物離子通道的高速離子傳輸（每個(gè)通道每秒107個(gè)離子）。這種超快物質(zhì)傳輸源于離子通道的特殊性質(zhì)，例如，小尺寸、獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和表面電荷分布等，從而導(dǎo)致離子和分子以單鏈形式進(jìn)行超快傳輸。從經(jīng)典熱力學(xué)角度看，具有化學(xué)選擇性的納米通道的物質(zhì)傳輸應(yīng)該是非常緩慢的。然而，在生命體系中，離子和分子的快速傳輸表現(xiàn)出量子化的超快流體狀態(tài)。例如，NaK通道每次只能容納一個(gè)水合Na+離子；K通道含有兩個(gè)相距約7.5埃的K+離子，中間有一個(gè)水分子；每個(gè)Ca離子通道也同時(shí)結(jié)合兩個(gè)Ca2+離子。
近日，中科院理化所江雷院士將生物孔道中離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸定義為“量子限域超流體”，并指出限域孔道內(nèi)離子和分子的有序超流為“量子隧穿流體效應(yīng)”，該“隧穿距離”與量子限域超流體的周期相一致。結(jié)合該課題組近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 5814-5818），他們發(fā)現(xiàn)仿生體系也存在量子限域超流現(xiàn)象，例如人工離子通道和水通道內(nèi)物質(zhì)的快速傳輸（每秒~106個(gè)離子）。最后，他們在展望中指出，通過把量子限域超流體概念引入化學(xué)領(lǐng)域, 將引發(fā)出精準(zhǔn)化學(xué)合成，即量子有機(jī)、無機(jī)、高分子反應(yīng)等。而引入到生物學(xué)領(lǐng)域，將產(chǎn)生量子超流的生物化學(xué)、生物物理、生物信息學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等。在此基礎(chǔ)上，也將產(chǎn)生其他的新科學(xué)和新技術(shù)。
圖1 生物離子通道和人工離子通道均存在超快離子和水傳輸
圖2 人工一維納米通道中的超快水傳輸與“量子隧穿流體效應(yīng)”概念
圖3 二維表面液體的超鋪展和二維界面的超快水傳輸
圖4 引入QSF概念到化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生QSF化學(xué)和QSF生物學(xué)
文章發(fā)表在中國科學(xué)材料（SCIENCE CHINA Materials）上，論文標(biāo)題為“Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial”。
論文鏈接：
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs40843-018-9289-2
http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCMs/doi/10.1007/s40843-018-9289-2?slug=full%20text
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