Biološki jonski kanali kalijuma omogućavaju selektivnu permeaciju većeg K+ (jonski radijus od 1,3 A) preko manjeg Na+ (1,0 A) sa odnosom selektivnosti preko 1000 puta. Decenijama, naučnici su dugo pokušavali da oponašaju ova čuda u veštačkim sistemima, ali nisu uspeli da se uporede sa izvrsnom jonskom diskriminacijom prirodnih proteinskih kanala. Tipično, odnos selektivnosti K + /Na + postojećih veštačkih kalijumovih kanala je manji od 40 puta.
Revidiranjem atomske strukture 12-A dugog četvorostrukog simetričnog tubularnog filtera selektivnosti bioloških KcsA kalijumovih kanala, istraživači su otkrili da izuzetna K + /Na + selektivnost potiče od četiri periodična sloja karbonilnog prstena koji funkcioniše kao jon kalijuma mesta vezivanja. Treba napomenuti da se dva susedna karbonilna prstena ne preklapaju striktno. Umesto toga, postoji rotacija od skoro 27 stepeni zbog diedralnih uglova aminokiselina.
Dugo zanemarena strukturna karakteristika rotacionih karbonilnih prstenova podupire ultra-visoku K + /Na + selektivnost, ali nikada nije korišćena u izgradnji veštačkih kalijumovih kanala.
Prateći ovaj princip dizajna, istraživači kreiraju pore u skali angstroma u dvoslojnim grafenskim listovima i ukrašavaju dve ivice pora sa uvrnutim prstenovima karbonilnih grupa. Veštački jonski kanal može striktno da inhibira transport neželjenog Na + sa dinamičkim odnosom selektivnosti K + /Na + do 1.295 puta. Brzina provodljivosti K+ se približava 3,5×10 7 jona/s, što je skoro 40% bioloških jonskih kanala kalijuma.
Atomske putanje događaja K+ permeacije otkrivaju mehanizam transporta dualnog jona, to jest, svaka uspešna K+ permeacija treba da uključuje najmanje dva jona kalijuma.
Oslobađanje K + iz izlaza iz dvoslojne nanopore se postiže mekim mehanizmom za udaranje iz drugog K + na ulazu, koji je ranije pronađen isključivo u biološkim jonskim kanalima. Sinergetsko ponašanje je olakšano jednim ili dva molekula hidrata vode između slojeva grafena, formirajući takozvane K-nH2O-K triplete.
Osim sticanja uvida u principe rada bioloških sistema, visoko selektivni na kalijum veštački jonski kanali omogućavaju nove primene koje se ne mogu naći u prirodi. Kao dokaz koncepta, istraživači predlažu novi način za prikupljanje jonske snage mešanjem rastvora elektrolita jednake koncentracije kroz dvoslojne angstrom-pore. Teoretski, biomimetički uređaj postiže veoma visoku gustinu snage od preko 1.200 V/m 2 sa grafenskim pločama sa samo manje od 1% poroznosti.
Naročito, kalijum-permselektivnost omogućena osmotskom proizvodnjom energije (PoPee-OPG) bolje oponaša metode konverzije energije od strane ćelija elektrocita električnih jegulja. Prvo, PoPee-OPG bi mogao da radi koristeći rastvore jednake ukupne jonske snage. Ovo je u suprotnosti sa neophodnim razblaženim rešenjima koja se koriste u postojećoj proizvodnji električne energije sa gradijentom slanosti (SGPG), koja ograničavaju njihov učinak.
Drugo, vredi napomenuti da zapravo ne postoji očigledan deo niske koncentracije u telesnoj tečnosti električnih jegulja zbog ravnoteže osmotskog pritiska kroz ćelijsku membranu. Značajno poboljšanje PoPee-OPG-a je ekvivalentno značajnom smanjenju unutrašnjeg otpora jonskog izvora energije, i na taj način omogućava visoku izlaznu snagu. Sa ove tačke gledišta, PoPee-OPG nadograđuje konverziju energije električna-jegulja-mimetička.
Iako su još teoretski u ovoj fazi, jedinstvena struktura pora i principi rada koji se nalaze u ovom članku mogli bi da usmeravaju izradu visoko selektivnih membrana od – na primer – naslaganih materijala na bazi grafena ili dvoslojnih komponenti kovalentno-organskog okvira. Sve u svemu, biomimetički dizajn donosi izuzetne mogućnosti prirodnih proteina u uređaje koje je konstruisao čovek i pruža nacrt za svestrane primene za prečišćavanje vode, hemijsko odvajanje, jonske baterije itd.
