设计和制备传输效率高效的质子通道对于物质分离、生物传感、能量转换、纳米流体器件等领域的进一步发展至关重要。近几年，仿生科学家受到水通道蛋白结构的启发，开发了一系列类似结构的高效水/质子通道，单个通道的最高传输效率可达3.4×10-12cm-3/s[Science 357, 792–796 (2017)]，比水通道蛋白还高一个数量级。但是，这些仿生通道内部结构是均质的，并不能像水通道蛋白那样可以对水/质子进行单方向传输。

为了解决这一问题，近日，澳大利亚莫纳什大学王焕庭院士、 Zhang Huacheng教授团队联合中国科学技术大学吴恒安教授团队开发了一种纳米-亚纳米尺寸渐变的非对称沙漏结构PET/MOF复合质子通道，显示出了单向传输的特点和极高的质子选择性传输。其中，综合性能最优异的PET/MIL-121通道最大整流比接近500，质子传导率高达240 mScm⁻¹。在研究中作者结合分子模拟发现，PET/MOF复合通道内部的高传输效率来源于MOF内部由分子间氢键和限域作用联合形成的有序“水链”结构，并且不同的MOF会导致不同的“水链”结构；比如MIL-121型MOF内部形成了五边形“水链”结构，与MOF中的羧酸基团形成的三维网络结构通道可以使质子快速而高效的通过。同时，质子从纳米级别的PET通道传输到亚纳米级别的MOF通道过程中能垒较小，因而赋予了复合通道单向传输的特性。另外，亚纳米MOF通道内部特殊的理化性质也使得PET/MOF复合通道具有高的质子选择性——在不同浓度差的HCl溶液中，H⁺/Cl^-的选择性＞20，而纯PET纳米通道的选择性仅有5.6左右。这项研究以题为“Unidirectional and Selective Proton Transport in Artificial Heterostructured Nanochannels with Nano-to-Subnano Confined Water Clusters”的论文发表在《Advanced Materials》上。