在这个模拟中，带有离子通道(中心)的生物膜(灰色)浸泡在水和离子的溶液中。这个模拟“盒子”的横截面显示了电势，即驱动离子通过通道的外部提供的“力”。由于通道的存在，在这个电位中出现了令人眼花缭乱的图案——颜色显示了相等电位的线。这种模式在太空中缓慢衰减的特性使得模拟非常困难。黄金纵横比——这个方框选择的高宽比——允许小型模拟有效地捕捉实验的大空间维度的效果。图片来源:国家标准
细胞入口通道上的小孔就像微型保镖一样，让一些带电原子或离子进入细胞，但却阻挡了其他原子或离子的进入。作为灵敏的过滤器，这些离子通道在肌肉收缩和脑细胞放电等生物功能中发挥着关键作用。为了让正确的离子快速通过细胞膜，这些微小的通道依赖于离子和周围分子之间复杂的相互作用，尤其是水，这些分子对带电原子有亲和力。但这些分子过程传统上很难用计算机或人工结构建模，因此也难以理解。
现在,研究人员在国家标准与技术研究院(NIST)和他们的同事们证明了纳米孔蚀刻成层graphene-atomically薄片的碳以他们的力量和conductivity-can提供一个简单的模型对离子通道的复杂操作。
这个模型使科学家能够测量与离子传输有关的一系列性质。此外，石墨烯纳米孔可能最终为科学家提供高效的机械过滤器，适用于去除海水中的盐分和识别遗传物质中的缺陷DNA等过程。
NIST科学家Michael Zwolak和Subin Sahu(他是NIST、马里兰大学纳米中心和俄勒冈州立大学的联合成员)，还发现了一种方法，可以模拟离子通道行为的各个方面，同时考虑诸如通道大小或形状的分子尺度变化等计算密集的细节。
要挤过细胞的离子通道，离子必须失去部分或全部与它们结合的水分子。离子通道是由蛋白质组成的，孔只有几个原子宽。然而，这样做所需的能量往往是令人望而却步的，因此离子需要一些额外的帮助。它们从离子通道本身得到帮助，离子通道上排列着与某些离子具有相反电荷的分子，因此有助于吸引它们。此外，这些带电分子的排列提供了更好的适合某些离子相对于其他离子，创造了一个高度选择性的过滤器。例如，某些离子通道是由带负电荷的分子排列的，这些分子的分布方式使得它们可以很容易地容纳钾离子，但不能容纳钠离子。
科学家们想要更好地了解的是离子通道的选择性，一方面是为了了解生物系统的功能，另一方面是因为这些通道的操作可能是一种很有前景的方法，可以为许多工业用途设计非生物过滤器。
加州大学圣地亚哥分校的zwolak、Sahu和Massimiliano Di Ventra采用了一种更简单的系统——石墨烯纳米孔，模拟了类似于实际离子通道活动的条件。例如，该团队的模拟首次证明，可以通过改变蚀刻在单层石墨烯上的纳米孔的直径或添加额外的薄片，来制造出只允许一些离子通过的纳米孔。然而，与生物离子通道不同的是，这种选择性只来自于水分子的去除，这一过程被称为脱水。
石墨烯纳米孔将允许在各种条件下测量这种仅脱水选择性，这是另一个新的壮举。研究人员在最近一期的纳米快报和纳米级．
两本预印本(https://arxiv.org/abs/1708.03327和https://arxiv.org/abs/1711.00472)， Zwolak和Sahu解决了模拟离子通过纳米孔通道收缩和传输的一些复杂性。当理论家模拟一个过程时，他们选择一个特定大小的“方框”来进行模拟。方框可能更大或更小，这取决于计算的宽度和细节。研究人员表明，如果选择模拟体积的尺寸，使体积的宽度与高度的比值有一个特定的数值，然后，模拟可以同时捕捉周围离子溶液的影响和棘手的细节，如孔隙直径的纳米级波动或带电化学基团的存在。兹沃拉克说，这一发现——研究小组称之为模拟的“黄金纵横比”——将极大地简化计算，并有助于更好地理解离子通道的运作。
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