水是人体细胞的重要成分，水的含量约占成人体重的60％～70％，可以说水是生命的溶剂，它们在细胞膜通道的进进出出实现了细胞的许多功能。那么水分子是怎样进出细胞的呢？20世纪50年代，科学家发现细胞膜存在着某种只让水分子通过的通道，即水通道。但是水通道究竟是什么却不得而知，直到20世纪80年代美国科学家Agre研究不同细胞膜蛋白，他发现一种被称为水通道蛋白的细胞膜蛋白就是寻找已久的水通道。
Agre因在细胞膜水通道蛋白的研究与另一位科学家分享2003年诺贝尔化学奖。既然水分子通过水通道对生命体有重要作用，那么如何获得水分子通过水通道的性质呢？碳元素是生命体基本组成元素，自然界存在一种由碳原子组成的管道即纳米碳管。以纳米管道为载体，借助分子动力学模拟手段，为研究水分子等物质在纳米管道中的性质提供了便利。
水分子在水通道的流通性质有很多值得研究的地方。科学界一个感兴趣的问题是哪些因素可以导致水分子在水通道内“开”与“关”的效应？科学研究发现通过挤压纳米管道以及在纳米管道周围放置虚拟电荷，可以实现纳米水通道的开关效应[2][3]。为了使纳米水通道开关效应更有实际应用价值，借助偶极分子电场分布情况，我们设计一种基于偶极分子导致的纳米水通道的开关效应[4]，设计图如图4．38．1所示。我们发现当偶极分子（Li F）距纳米管道中心比较小时，偶极分子在纳米管道内产生的电场强度较大，水分子不能通过纳米水通道；只有当偶极分子距纳米水通道比较远时，水分子才能通过纳米管道。
研究水分子在纳米管道中的流通特性，还有很多潜在应用价值。比如污水处理、海水淡化等。为了实现上述目的，就需要提高水分子在纳米管道的输运能力。我们借助于梯度电场可以实现比较好的效果[5]，如图4．38．2所示。
图4．38．1 （a）极性分子导致纳米水通道开关示意图；（b）水分子在纳米管道流过数目（Nf）与极性分子（Li F）距纳米管道中心距离R之间的函数关系
图4．38．2 （a）在纳米水通道加均匀电场（UE）和梯度电场（GE）示意图；（b）通过纳米管道水分子净流量（Net flux）与所加均匀电场（UE）和梯度电场（GE）的函数关系
在模拟过程中，我们发现在纳米水通道两端如果施加均匀电场，水分子在纳米孔道中受到的净外电场为零，所以很难使水分子通过纳米水通道存在净流量。但是一旦在纳米水通道之间加上梯度电场，纳米管道内水分子净外电场力变为非零，水分子单向通过纳米水通道的能力得到提高，会增加1～2个数量级。这对海水净化方面有很重要的意义。
另外，研究受限情况下水分子的特性还有助于设计分子器件。有的生物大分子片段带电荷，如何探测生物大分子的电性呢？由于带电大分子片段在纳米尺度，很难用常规方法测量电荷的电性。但是受限于纳米管道的水分子的特性可以为解决该问题提供一种方法[6]。(www.xing528.com)
纳米尺度下受限水分子等小分子展示出多种多样的奇异特性，这些特性有的可以解释部分生命活动现象，有的可以在分子器件中具有潜在应用价值，这值得进一步细究。
[1] 此文作者为孟现文，撰写此文时是我课题组的博士生。
[2]R．Z．Wan，J．Y．Li，H．J．Lu and H．P．Fang．J．Am．Chem．Soc．，2005（127）：7166．
[3]J．Y．Li，X．J．Gong，H．J．Lu，H．P．Fang and R．H．Zhou．PNAS，2007（104）：3687．
[4]X．W．Meng，Y．Wang，Y．J．Zhao and J．P．Huang．The Journal of Physical Chemistry B，2011（115）：4768．
[5]Y．Wang，Y．J．Zhao and J．P．Huang．The Journal of Physical Chemistry B，2011 （115）：13275．
[6]Y．Wang，Y．J．Zhao and J．P．Huang．Chinese Physics B，2012（21）：076102．
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