脱水作为石墨烯及其他原子级薄孔中离子选择性的普适机制

离子通道在调节细胞行为和电信号传导中起关键作用。在这些环境中，极性和带电官能团——以及蛋白质响应——以依赖于离子的方式补偿脱水，产生对细胞运作至关重要的离子选择性传输。然而，脱水会产生依赖于离子的自由能势垒，因此预计其本身就会引起选择性。但这些势垒通常如此之大，以至于会将离子电流抑制到不可检测的水平。在此，我们确定石墨烯展现出可测量的仅依赖脱水的 $\mathrm{K}^+$ 相对于 $\mathrm{Cl}^-$ 的选择性机制。这一基本机制——仅依赖于几何与水合——是所有通道和孔的选择性的起点。此外，虽然我们研究 $\mathrm{K}^+$ 相对于 $\mathrm{Cl}^-$ 的选择性，我们发现基于脱水的选择性对所有离子都起作用，即阳离子相对于阳离子的选择性（例如 $\mathrm{K}^+$ 相对于 $\mathrm{Na}^+$）。其在石墨烯孔中可能被探测到解决了冲突的实验结果，并为表征离子通道运作以及在水过滤和其他应用中设计分子/离子选择性提供了新范式。