第一作者：黃亞鑫，吳昌進
通訊作者：唐晉堯
第一單位：香港大學
研究亮點
1.提出了一種可規模化制備的光響應離子通道，兼具優異的離子選擇性和高滲透性，能夠實現高效的滲透能收集，在人工海水/河水濃差（50倍NaCl）下，光照時可以輸出最高148.3 W m-2的功率密度。
2.開發了基于光響應離子通道的人工光感受器，實現了光響應離子通道和光感受器的規模化制備與系統化集成，集成數量與輸出性能均遠超以往的體系。
3.設計并構筑了人工光感受器陣列，通過集成滲透能收集器，使其能夠實時響應光刺激而無需外接電源，初步構建了基于離子傳輸的自驅動人工視網膜。
研究背景
生物離子通道具有納米級孔道尺寸，且表面具有多層級的化學結構，在保證超高離子選擇性的同時，仍展現出高通量離子滲透性，這一獨特的性質使其能夠調節細胞興奮性、進行物質選擇性輸運以及實現高效能量轉化，對維持生命系統的正常運轉起著至關重要的作用。
受此啟發，人們開發了多種刺激響應性人工離子通道，能夠在外界刺激，包括光、電壓、溫度、pH、化學信號下實現快速響應。其中，光響應離子通道因其時空分辨率高、操控形式靈活且能夠動態調控等特性，在智能傳感及能量轉化與收集等領域展現出巨大的應用潛力。然而，納米級厚度的人工離子通道在實際工作中易受到液體壓力或外界擾動影響，導致性能迅速下降甚至完全失效。同時，其復雜的制造過程（如重離子轟擊、電化學刻蝕）給大規模制造與系統性集成帶來了巨大挑戰，嚴重限制了人工離子通道的功能開發與實際應用。
成果簡介
為此，香港大學化學系唐晉堯教授團隊開發了一種可規?；苽涞墓忭憫x子通道，其高度取向的孔道結構、均勻的亞納米級尺寸以及可調的通道數量，使其兼具優異的離子選擇性和高滲透通量，可以將離子濃度梯度轉化為電能。此外，該離子通道制備過程簡單，其平面型結構也易于規?；苽?，能夠實現從單個離子通道到高密度陣列到功能性離子器件的系統性集成。
圖1. 基于光響應離子通道的自驅動人工視網膜
研究思路與研究結果討論
作者首先將氧化石墨烯與光響應分子非共價復合，進一步旋涂到硅片上得到均勻、高度有序的孔道結構，且通道數量可通過調節堆疊層厚度進行靈活控制，從而確保光響應離子通道的高選擇性和高滲透性。
圖2.光響應離子通道的構筑
通過在光響應離子通道兩側放置不同濃度的溶液，如海水和河水，可以將離子的化學勢能轉化為電能，便于后續作為微能源使用。在標準的離子濃度差測試中（50倍NaCl），光照條件下該離子通道可以產生高達148.3W m-2的功率密度，超過了以往開發的所有光驅離子選擇性薄膜。
圖3.光響應離子通道的輸出性能
實驗測試與數值模擬表明，在光照情況下，該離子通道表面的光活性分子會發生光化學反應，釋放出可遷移的陽離子，使通道表面的電荷密度增加，同時顯著降低離子進入通道的能壘，從而有效增強離子的選擇性。
圖4. 離子通道的光增強選擇性傳輸機理
受益于光響應離子通道的平面型結構，作者利用逐層制造的方式實現了光響應離子通道的大規模制備與集成，該方法可以成功將數百個離子通道進行高效串聯或并聯，在離子濃度梯度下最高可以產生76V的輸出電壓，集成數量與輸出性能均為目前報道的最高值。
圖5. 光響應離子通道的大規模集成
最后，利用離子通道的選擇性和光響應性，通過制造光響應離子通道陣列，可以將光感受器-滲透能電源進行一體化集成，構建了基于離子傳輸的人工視網膜，利用光照下離子信號的變化來解碼外界光照信息，從而實現全新的自驅動離子型光傳感。
圖6.自驅動人工視網膜的構筑與應用
總結展望
總之，該研究開發了一種高效的光響應離子通道，成功實現了從離子通道到光感受器再到人工視網膜的集成制造，為解決人工離子通道難以大規模制造與集成的難題提供了切實可行的研究方案。研究結果表明，該離子通道具有優異的離子選擇性和滲透性，能夠高效收集能源，通過大規模集成制造，實現了優異的性能輸出，并將其應用于構建自供電人工視網膜，展示了廣闊的應用前景，同時為智能、刺激響應性離子通道的發展以及自供電光電器件的大規模應用提供了新的思路。
參考文獻信息：
Yaxin Huang et al. ,Scalable integration of photoresponsive highly aligned nanochannels for self-powered ionic devices. Sci. Adv.10,eads5591(2024).
DOI:10.1126/sciadv.ads5591
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads5591
