電控奈米閘門：革新分子運動的關鍵突破

大阪大學的科學家們設計出一種能利用電訊號開關的奈米閘門，為離子和分子的精準控制帶來了新的可能。這項微小的創新，有潛力徹底改變感測技術、化學反應，甚至是計算領域。透過調整電壓，研究人員能夠操控閘門的行為，使其成為前沿應用的多功能工具。

閘門的作用在於控制移動，不論是農場的牲畜透過柵門，還是奈米尺度下分子的移動。就如同實體閘門可以開啟或關閉以調節較大物體的通行，奈米閘門能夠控制單個分子的透過。大阪大學的研究人員開發出的這種奈米閘門，會根據電訊號開關，其行為取決於所施加的電壓以及周圍溶液中的物質。這使其在分子感測和精準控制化學反應等應用中展現出巨大的潛力。

該奈米閘門是嵌入氮化矽薄膜中的一個微小孔隙。這層薄膜位於晶片上的流通池中，兩側都會引入溶液。研究人員透過晶片上的電極施加電壓，測量由此產生的離子電流，該電流反映了離子透過孔隙的移動情況。由於這種電流對周圍溶液的成分極為敏感，研究人員可以精確控制離子的流動，並引發孔隙內金屬化合物的形成或溶解。

研究主要作者堤真佑表示，沉澱（使奈米閘門關閉）或溶解（使奈米閘門開啟）導致的孔隙直徑變化，會產生不同型別的離子傳輸。在負電壓下，沉澱物生長並封閉孔隙，降低離子電流；反轉電壓極性則會使沉澱物溶解，重新開啟孔隙。

在某些條件下，阻塞孔隙的沉澱物形成會產生迄今為止奈米流體裝置所能達到的最高整流比，整流比是衡量離子僅朝一個方向移動傾向的指標。除了充當整流器，該系統還能表現出憶阻器的特性，即在電流和電壓的關係中觀察到記憶效應。孔隙中物質的依次沉澱和溶解導致了這種憶阻行為。

此外，孔隙內的反應可以被調節以實現生物分子檢測，這一點已透過DNA得到驗證。當單個DNA分子透過孔隙時，系統會呈現出不同的輸出訊號。

資深作者河合朝治解釋說，利用施加的電壓精細控制孔隙大小，應該能在進行測量之前，針對特定分析物對孔隙進行定製。「我們還預計，我們的方法可用於開發反應系統，以獲得新的化學化合物。」

在奈米流體電化學裝置中使用具有單個可控孔隙的薄膜是一種多功能方法，可針對包括感測、化學反應和類神經計算在內的特定應用進行定製。

參考文獻：《跨膜電壓門控奈米孔道的電控孔隙化學調控》，發表於2025年2月5日的《自然通訊》（DOI: 10.1038/s41467 - 025 - 56052 - 0）。《自然通訊》是一本開放存取、經同行評審的期刊，發表來自物理學、化學、地球科學和生物學等自然科學所有領域的高質量研究成果。該期刊隸屬於自然出版集團，於2010年創刊，旨在促進重要研究成果的快速傳播，並促進科學家之間的多學科合作與交流。