第一作者：黄亚鑫，吴昌进

通讯作者：唐晋尧    

第一单位：香港大学

研究亮点

1.提出了一种可规模化制备的光响应离子通道，兼具优异的离子选择性和高渗透性，能够实现高效的渗透能收集，在人工海水/河水浓差（50倍NaCl）下，光照时可以输出最高148.3 W m^-2的功率密度。

2.开发了基于光响应离子通道的人工光感受器，实现了光响应离子通道和光感受器的规模化制备与系统化集成，集成数量与输出性能均远超以往的体系。

3.设计并构筑了人工光感受器阵列，通过集成渗透能收集器，使其能够实时响应光刺激而无需外接电源，初步构建了基于离子传输的自驱动人工视网膜。

研究背景

生物离子通道具有纳米级孔道尺寸，且表面具有多层级的化学结构，在保证超高离子选择性的同时，仍展现出高通量离子渗透性，这一独特的性质使其能够调节细胞兴奋性、进行物质选择性输运以及实现高效能量转化，对维持生命系统的正常运转起着至关重要的作用。

受此启发，人们开发了多种刺激响应性人工离子通道，能够在外界刺激，包括光、电压、温度、pH、化学信号下实现快速响应。其中，光响应离子通道因其时空分辨率高、操控形式灵活且能够动态调控等特性，在智能传感及能量转化与收集等领域展现出巨大的应用潜力。然而，纳米级厚度的人工离子通道在实际工作中易受到液体压力或外界扰动影响，导致性能迅速下降甚至完全失效。同时，其复杂的制造过程（如重离子轰击、电化学刻蚀）给大规模制造与系统性集成带来了巨大挑战，严重限制了人工离子通道的功能开发与实际应用。 

成果简介

为此，香港大学化学系唐晋尧教授团队开发了一种可规模化制备的光响应离子通道，其高度取向的孔道结构、均匀的亚纳米级尺寸以及可调的通道数量，使其兼具优异的离子选择性和高渗透通量，可以将离子浓度梯度转化为电能。此外，该离子通道制备过程简单，其平面型结构也易于规模化制备，能够实现从单个离子通道到高密度阵列到功能性离子器件的系统性集成。

图1. 基于光响应离子通道的自驱动人工视网膜

研究思路与研究结果讨论

作者首先将氧化石墨烯与光响应分子非共价复合，进一步旋涂到硅片上得到均匀、高度有序的孔道结构，且通道数量可通过调节堆叠层厚度进行灵活控制，从而确保光响应离子通道的高选择性和高渗透性。

图2.光响应离子通道的构筑

通过在光响应离子通道两侧放置不同浓度的溶液，如海水和河水，可以将离子的化学势能转化为电能，便于后续作为微能源使用。在标准的离子浓度差测试中（50倍NaCl），光照条件下该离子通道可以产生高达148.3W m^-2的功率密度，超过了以往开发的所有光驱离子选择性薄膜。

图3.光响应离子通道的输出性能

实验测试与数值模拟表明，在光照情况下，该离子通道表面的光活性分子会发生光化学反应，释放出可迁移的阳离子，使通道表面的电荷密度增加，同时显著降低离子进入通道的能垒，从而有效增强离子的选择性。

图4. 离子通道的光增强选择性传输机理

受益于光响应离子通道的平面型结构，作者利用逐层制造的方式实现了光响应离子通道的大规模制备与集成，该方法可以成功将数百个离子通道进行高效串联或并联，在离子浓度梯度下最高可以产生76V的输出电压，集成数量与输出性能均为目前报道的最高值。   

 图5. 光响应离子通道的大规模集成

最后，利用离子通道的选择性和光响应性，通过制造光响应离子通道阵列，可以将光感受器-渗透能电源进行一体化集成，构建了基于离子传输的人工视网膜，利用光照下离子信号的变化来解码外界光照信息，从而实现全新的自驱动离子型光传感。    

图6.自驱动人工视网膜的构筑与应用

总结展望

总之，该研究开发了一种高效的光响应离子通道，成功实现了从离子通道到光感受器再到人工视网膜的集成制造，为解决人工离子通道难以大规模制造与集成的难题提供了切实可行的研究方案。研究结果表明，该离子通道具有优异的离子选择性和渗透性，能够高效收集能源，通过大规模集成制造，实现了优异的性能输出，并将其应用于构建自供电人工视网膜，展示了广阔的应用前景，同时为智能、刺激响应性离子通道的发展以及自供电光电器件的大规模应用提供了新的思路。

参考文献信息：

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