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本文聚焦纳米孔阵列研究。单纳米孔在生物、化学传感等领域成果显著，但生物体系多依赖多通道协同。纳米孔阵列可模拟生物离子电路，在生物传感、离子计算等方面潜力巨大。文中探讨其相互作用、应用及未来方向，值得关注。
引言
单纳米孔在生物和化学传感领域引发了变革，它不仅推动了对纳米限域传输现象的探索，助力人们理解相关原理，还为仿生系统的制备提供了关键支持。在单分子传感器领域，单纳米孔发挥着重要作用，像 DNA 和蛋白质测序技术的发展就离不开它。同时，纳米孔作为一种模板结构，有助于揭示纳米尺度的新物理现象，帮助科研人员探究纳米限域的几何和电化学性质对离子及分子传输等功能的影响 。
单纳米孔的研究很大程度上受到生物通道特性的启发。细胞膜上的生物通道在响应特定分子或外部刺激时，就像一个个灵敏的传感器。而且，生物通道展现出独特的纳米限域诱导传输特性，比如具有选择性，能像晶体管一样进行电导的开关切换。更有趣的是，哪怕只是替换生物通道中的一个氨基酸，其传输特性就可能发生巨大改变，这为人们在原子尺度研究结构与功能的关系提供了重要线索。
如今，众多先进技术能够精确制造出不同几何形状和电化学性质的单纳米孔，无论是固态材料还是聚合物材料都能实现。甚至普通人在家中，利用一些简单方法就能制备出直径约 10nm 的单纳米孔。当前的前沿电子技术十分强大，能在亚 10pA 的电流水平和亚微秒的时间分辨率下测量离子电流信号，这使得检测小分子以及监测聚合物通过纳米孔时快速的构象变化成为现实。基于这些丰富的制造和测量技术，许多科研人员致力于设计合成纳米孔，使其模仿细胞膜通道的特性，相关研究成果众多。
然而，生物体系的精妙之处在于，它并非依赖单个通道发挥作用，而是依靠众多通道协同工作。这些通道常常在同一细胞膜中并行连接，共同构建起复杂而有序的系统。比如，人类耳朵中的毛细胞在感知声音时，每个毛细胞内的多个机械敏感通道会协同开启或关闭，让离子顺利传输，进而引发一系列连锁反应，最终改变跨膜电位，并将信号传递给大脑。再看神经信号沿轴突在时间和空间上的传递过程，这需要钠离子和钾离子选择性通道默契配合，它们在不同的跨膜电位下有序地开启和关闭。这些生物多通道系统和过程给科研人员带来了新的思考：合成纳米孔如何才能重现类似的现象呢？生物纳米孔阵列又能为合成纳米孔阵列的制备提供哪些灵感？合成纳米孔阵列能否实现像生物膜通道那样调节细胞下游过程的功能？甚至，它是否有可能具备超越生物系统的独特功能呢？
早期，纳米孔阵列的发展主要体现在传感器的并行化应用上。大规模并行 DNA 纳米孔测序平台凭借纳米孔阵列的优势，成功实现了 SARS-CoV-2 基因组测序，还在零重力条件下完成了人类 DNA 测序。此外，纳米孔阵列借助光学监测荧光信号的技术，能够同时对多个 DNA 分子进行分析。受电子电路启发，将含有单纳米孔的单个膜连接起来形成电路，还能实现逻辑门等新功能。
但真正的仿生系统追求的是 “整体大于部分之和” 的效果，即通道之间相互作用，产生新的功能。要设计出具有这种涌现特性的纳米孔阵列，科研人员需要深入理解决定相互作用本质和控制机制的基础物理学原理。接下来，文章将围绕这一主题展开详细探讨，介绍纳米孔之间通过不同方式产生相互作用的案例，以及这些相互作用对纳米孔阵列功能的影响，还有刺激响应性阵列的应用和纳米孔阵列在神经形态计算等前沿领域的探索。
纳米孔阵列提高单分子传感器的时间和空间分辨率
有两项近期研究关注了纳米孔阵列中相邻纳米孔之间的相互作用，它们采用电阻脉冲技术设计纳米孔阵列用于单分子传感，取得了令人瞩目的成果。Hu 等人和 Chou 等人分别提出了两种不同类型的纳米孔阵列，成功解决了长期以来如何控制分子通过速度这一难题。在单分子传感中，降低分子通过纳米孔的速度至关重要，因为这有助于提高时间分辨率，进而能够更精准地检测更小的分析物，深入探究分子的细微特征。纳米孔阵列中相邻纳米孔之间的相互作用，为实现这一目标提供了有效途径，这种相互作用通过改变分子周围的微环境，巧妙地调控了分子通过纳米孔的动力学过程。
离子浓度极化可由孔的几何和电化学性质控制
目前报道的大多数纳米孔阵列主要用于传感目的，为了获得最大的检测信号，通常会在高盐浓度条件下进行实验。在这种情况下，纳米孔壁上的表面电荷大多被屏蔽，离子浓度极化现象被显著削弱。离子浓度极化指的是在纳米孔的一个入口处形成离子浓度降低的区域，而在另一个入口处形成离子浓度升高的区域。离子浓度极化的产生源于离子在纳米孔内的传输过程，当离子通过纳米孔时，由于纳米孔壁的电荷性质以及离子自身的特性，会导致离子在孔内的分布不均匀，从而引发离子浓度极化现象。
纳米孔的几何形状和电化学性质对离子浓度极化有着重要影响。不同形状和尺寸的纳米孔，其内部的电场分布和离子传输路径不同，进而影响离子浓度极化的程度。例如，孔径较小的纳米孔，离子在其中的传输受到的限制更大，更容易引发离子浓度极化；而具有特殊表面电荷分布的纳米孔，会通过与离子的静电相互作用，改变离子的传输行为，进一步调控离子浓度极化的形成和发展。此外，实验条件如溶液的 pH 值、离子强度等也会对离子浓度极化产生作用，这些因素相互交织，共同决定了纳米孔阵列在传感过程中的性能表现。
具有亚纳米开口的阵列需要原子尺度的描述来预测其传输特性
亚纳米孔阵列是一个充满研究价值但尚未被充分探索的领域。在如此极端的纳米限域环境下，基于经典泊松 - 能斯特 - 普朗克方程的连续介质模型不再适用。这是因为离子具有有限的大小，纳米孔壁上的电荷呈现离散分布，而且材料的化学结构对系统的电化学势有着不可忽视的影响。在研究亚纳米孔阵列的传输特性时，需要从原子尺度入手，考虑每个原子的位置、相互作用以及电子云分布等因素。通过原子尺度的描述，可以更准确地预测离子在亚纳米孔中的传输行为，包括离子的选择性、传输速率以及与纳米孔壁的相互作用等，为深入理解亚纳米孔阵列的功能提供理论基础。
刺激响应性阵列是创建仿生通路的基本构建块
纳米孔阵列的未来发展方向之一是制备刺激响应性阵列。这类阵列模仿生物通道的功能，其不同组件能够独立激活或执行不同任务，并且可以对各种外部刺激做出响应。以温度响应性纳米孔阵列为例，它利用了等离子体共振器的原理，实现了对纳米孔的局部加热和门控功能。当外界温度发生变化时，等离子体共振器会产生相应的变化，进而影响纳米孔的状态，实现对离子传输的精确调控。这种刺激响应性阵列在生物医学、环境监测等领域具有广阔的应用前景，有望为疾病诊断、药物输送以及污染物检测等提供创新的解决方案。
纳米孔阵列对神经形态计算和构建人工神经元至关重要
纳米孔阵列在新兴的神经形态计算领域也占据着重要地位。单纳米孔已被证明可以作为忆阻器发挥作用，忆阻器是一种能够用于创建模仿大脑功能的离子计算机的电子元件，其独特之处在于可编程的电阻，且电阻值取决于之前的电阻状态历史。Emmerich 等人近期的研究成果展示了纳米孔阵列在构建人工神经元方面的潜力。他们通过巧妙设计和制造纳米孔阵列，模拟了神经元的信号处理和学习能力。在这个过程中，纳米孔阵列能够像真实神经元一样，对输入的电信号进行处理和整合，并根据信号的强度和频率调整自身的状态，为实现更高效、更智能的神经形态计算系统提供了新的思路和方法。
展望
纳米孔阵列展现出了单纳米孔系统所不具备的新颖功能。众多纳米孔紧密排列在一起时，会引发纳米孔之间复杂的相互作用，目前科研人员正在深入研究这些相互作用的本质。在某些情况下，这些相互作用是有益的，比如能够增强对分析物的敏感性，有助于更精准地检测目标物质；但在另一些情况下，相互作用也可能带来负面影响，像降低离子通量和离子选择性，影响纳米孔阵列的性能。
如同单纳米孔研究的发展历程一样，纳米孔阵列领域的发展也将受益于多学科的交叉融合。未来，随着材料科学、物理学、生物学等多个学科的协同进步，科学家们有望进一步优化纳米孔阵列的设计和制备工艺，深入理解其相互作用机制，充分发挥纳米孔阵列的优势，拓展其在生物传感器、离子计算、神经形态计算等众多领域的应用，为生命科学和健康医学的发展带来更多突破和创新。
