发现纳米水通道的电学开关特性
2003年，美国科学家彼得·阿格雷博士因发现了允许水分子出入的细胞膜蛋白水通道而荣获当年度诺贝尔化学奖。但是，细胞膜蛋白水通道如何让水分子进出的具体工作机制仍然是一个谜，也因此成为学术界的研究热点。蛋白水通道和周围的水溶液中都有电荷存在。在纳米和分子尺度，热噪音的效应不可忽略。蛋白水通道由于热噪音引起力学形变和电荷移位是否会影响蛋白水通道的开或关状态？在有效电信号下，通或关的状态是否迅速响应？这一直是科学家们关注的重要问题。中科院上海应用物理所方海平课题组通过多方合作，运用分子动力学模拟方法，对水在生物分子构型和功能中的重要性开展了一系列研究工作。在该课题组前期发现纳米水通道具有优异力学开关特性（J. Am. Chem. Soc. 127, 7166-7170 (2005)）的基础上，进一步发现这种纳米水通道具有优异电学开关特性，并阐明了相关的物理机理。最近，该项研究结果发表在国际权威科学期刊《美国科学院院刊（Proc. Natl. Acad. Sci. USA）》的提前版Early Edition，PNAS 104, 3687 (2007)上。
方海平组与合作者利用具有合适半径的纳米碳管作为生物膜蛋白水通道的简化模型，研究了限制于这种纳米水通道中的一维水链的特殊性质。发现水分子在透过这种纳米水通道时，不仅对作用在纳米水通道管壁的力学响应具有的开关特性，对纳米水通道管壁的电荷响应也有极好的开关特性。即：在噪音力学信号下，其“通”或“关”的状态不受干扰，而在有效力学信号导致足够大通道壁形变下，“通”或“关”的状态迅速响应；只有在外界电荷非常近时，通道才会响应，迅速关闭。方海平等的研究还表明，纳米水通道的这个优异开关特性的主要原因是，限制于这种纳米水通道中的一维水链的特殊性质和水分子与电荷相互作用的局域性。该研究成果有助于理解生物分子在信号传递过程中如何保持极好信噪比的分子机制，并对设计人工分子机器也具有一定的启示性。
该项研究工作与浙江大学、浙江师范大学、美国IBM公司研究所和哥伦比亚大学的研究人员共同合作完成，得到了中国科学院、国家自然科学基金委、国家科技部、人事部和上海市人民政府（通过上海超级计算中心）和美国IBM蓝色基因项目的共同资助。
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