通过对生物KcsA钾通道的12个-?-long四重对称管状选择性过滤器的原子结构的重新研究，研究人员发现，非凡的K+/Na+选择性源于作为钾离子结合位点的四层周期性羰基环。值得注意的是，两个相邻的羰基环并不是严格重叠的。相反，由于氨基酸的二面角，有近27度的旋转。

　　这项研究发表在《国家科学评论》杂志上。

　　长期以来被忽视的旋转羰基环的结构特征支撑了超高的K+/Na+选择性，但从未用于构建人工钾通道。

　　根据这一设计原则，研究人员在双层石墨烯片上创造了埃级的孔，并用羰基扭曲的环装饰两个孔的边缘。人工离子通道能严格抑制不需要的Na+的输运，动态K+/Na+选择性比高达1295倍。K+的传导速率接近3.5×107 ions/s，几乎是生物钾离子通道的40%。

　　K+渗透事件的原子轨迹揭示了一个双离子传输机制，即每次成功的K+渗透至少涉及两个钾离子。

　　从双层纳米孔出口释放K+是通过入口另一个K+的软敲机制实现的，这种机制以前只在生物离子通道中发现过。石墨烯层之间的一个或两个水合物水分子促进了协同行为，形成所谓的k - nh20 - k三联体。

　　除了深入了解生物系统的工作原理外，高钾选择性人工离子通道还可以实现自然界中未发现的新应用。作为概念验证演示，研究人员提出了一种通过双层埃孔混合等浓度电解质溶液来收集离子能量的新方法。理论上，这种仿生装置可以实现超过1200 W/m2的非常高的功率密度，而石墨烯片的孔隙率仅小于1%。

　　值得注意的是，钾透选择性使渗透发电(pope - opg)更好地模仿了电鳗的电细胞的能量转换方法。首先，PoPee-OPG可以在总离子强度相等的溶液中运行。这与现有的盐度梯度发电(SGPG)中使用的稀释溶液形成了对比，后者限制了它们的性能。

　　其次，值得一提的是，由于细胞膜渗透压的平衡，电鳗体液中实际上没有明显的低浓度部分。PoPee-OPG的显著改进相当于大大降低了离子电源的内阻，从而实现了高输出功率。从这个角度来看，PoPee-OPG升级了模拟电鳗的能量转换。

　　虽然目前仍处于理论阶段，但本文中发现的独特孔隙结构和工作原理可以指导高选择性膜的制造，例如堆叠石墨烯基材料或双层共价有机框架组件。总的来说，仿生设计将天然蛋白质的特殊能力引入到人类工程设备中，并为水净化、化学分离、离子电池等多种应用提供了蓝图。