The influence of geometry, surface character and flexibility on the permeation of ions and water through biological pores
如果疏水收缩位点的直径小于离子的第一水合壳的直径，则疏水收缩位点可以充当离子和水渗透的有效屏障。这种疏水性门控机制被认为在许多离子通道中起作用，例如烟碱受体、细菌机械敏感性通道（MscL和MscS）以及可能在一些钾通道（例如KcsA、MthK和KvAP）中起作用。简化的孔模型允许人们研究传导通路的主要特征，即其几何形状（形状、孔长度和半径）、孔壁表面的化学特征以及其局部柔性和表面粗糙度。我们的扩展（CA）0.1μs）分子动力学模拟表明，半径小于0.45 nm的疏水性短孔与水接近。通过增加孔壁的极性（并因此降低其疏水性），过渡半径可以减小，直到对于亲水性孔，液态水稳定到与水分子的半径相当的半径。离子的行为相似，但从导电孔到非导电孔的过渡甚至更陡，并且对于疏水孔发生在0.65 nm的半径处。收缩区中水蒸气的存在表明离子渗透的障碍。热力学模型可以根据表面张力解释纳米孔中水的行为，这导致在这种情况下对“疏水性”的简单测量。此外，增加的局部柔性降低了极性物质的渗透性。温度的升高具有相同的效果，我们假设这两种效果可以解释为有效的溶剂表面吸引力的减少，这反过来又导致溶剂壁表面自由能的增加。
2004-06-17 physics.bio-ph q-bio.SC
Diffusion through nanopores in connected lipid bilayer networks
开发了一种细胞间通讯的仿生模型，以探测插入线性阵列中接触液滴之间形成的合成脂质双层中的离子通道的被动分子运输。对于不同的孔浓度，测量荧光探针穿过阵列的扩散。扩散特征时间尺度与孔隙浓度呈非线性关系。我们的测量成功地模拟了连续时间的随机游走描述，其等待时间是第一次退出时间从一个液滴通过一簇孔。发现孔簇的尺寸随着它们的浓度而增加。我们的研究结果提供了一个直接的联系之间的介观渗透性能和微观特征的孔，如它们的数量，大小和空间排列。
2019-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Entropy and enthalpy of interaction between amino acid side chains in nanopores
了解蛋白质在纳米孔中的稳定性需要定量描述限制诱导的氨基酸侧链之间的相互作用。我们使用分子动力学模拟来研究侧链对ALA-PHE、SER-GLU和LYS-GLU之间在本体水和水填充的纳米孔中的相互作用的性质。的温度依赖性的平均力和相互作用的自由能在圆柱形和球形的纳米孔的本体溶剂的潜力是用来确定相应的熵和熵分量。ALA和PHE在本体水中的熵稳定的疏水相互作用取决于侧链之间的相对取向，在限制时在热力学上占主导地位。在SER-β的情况下，在本体水中相似的氢键构型在圆柱形孔中是不同的，从而使旋转异构体分布不同于本体中的那些。值得注意的是，与本体相比，LYS-GLU之间的盐桥形成通过熵来稳定。简要概述了我们的研究结果对限制诱导的蛋白质稳定性改变的影响。
2014-11-07 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Molecular mechanism of anion permeation through aquaporin 6
本研究通过跨膜电压与离子浓度梯度下的分子动力学模拟，揭示AQP6中央孔道在低pH时经选择性过滤器润湿而传导氯离子，并阐明H184/H189质子化的变构门控机制。
2023-11-08 physics.bio-ph q-bio.BM
Ion transport through a graphene nanopore
利用分子动力学模拟研究了外加电场作用下溶液中NaCl通过石墨烯纳米孔的离子输运过程。结果显示在石墨烯片附近形成浓度极化层。如果电场足够强以克服粘性和热波动的影响，则离子分布的不均匀性引起驱动流体中的涡旋运动的电压力。水动力输运和热波动在确定孔隙电导率的相对重要性进行了研究。观察到的第二个重要效应是水通过纳米孔的质量传输，其平均速度与施加的电压成比例并且与孔径无关。通量是由于离子分布相对于石墨烯片平面的反射的不对称性而产生的。由于局部电场引起的水偶极子的重新取向，在纳米孔附近的液体分子的积累被认为导致液体密度的局部增加。结果证实，我们模拟的参数制度的电导是成比例的纳米孔直径。发现流体涡流的发生导致有效电导的增加。
2013-01-09 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.SC
Ion Permeation in Nanoscale Films: Fundamental Limitation and Evaluation of Dielectric Properties
Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
研究揭示纳米尺度薄膜中离子渗透的基本限制，通过分析离子自能与薄膜厚度的关系，改进了对超薄薄膜介电性质的评估方法。
2026-02-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Nanoporous Carbon Nitride: A High Efficient Filter for Seawater Desalination
反渗透（RO）膜的低效率一直是海水淡化应用的主要障碍。在这里，我们通过分子动力学模拟报告了基于最近合成的石墨烯状氮化碳（g-C2N）的海水淡化过滤器的良好性能[Nat.Commun.，2015，6，6486]。利用g-C2N过滤器固有的纳米孔和优异的机械性能，可以通过在拉伸应变下调节纳米孔来实现高效的海水淡化。与反渗透膜相比，水渗透率可以提高两个数量级，这为解决全球水资源短缺提供了一种有前途的方法。
2015-12-22 physics.bio-ph physics.chem-ph
Sustained unidirectional rotation of a self-organized DNA rotor on a nanopore
流体驱动的旋转马达驱动人类社会中的功能过程，如风车和水轮。虽然这种旋转马达的例子在细胞生物学中也很突出，但它们在纳米级的合成结构迄今为止仍然难以捉摸。在这里，我们展示了流动驱动的旋转运动的自组织DNA纳米结构，停靠在一个薄的固态膜中的纳米孔。弹性DNA束在电泳对接到固态纳米孔上时自组装成手性构象，随后显示高达20转/秒的持续单向旋转运动。转子利用来自纳米级水和离子流的能量，所述纳米级水和离子流由纳米孔中的静电（电）化学电势梯度产生，所述静电化学电势梯度通过盐梯度或施加的电压建立。这些人造纳米发动机在生理条件下自组织和自主运行，为在纳米级界面上构建能量转换发动机铺平了新的方向。
2022-06-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Transport in one dimensional Coulomb gases: From ion channels to nanopores
我们考虑一类系统，由于介电常数的大失配，库仑相互作用是近似一维的。实例包括脂质膜中的离子通道和硅或醋酸纤维素膜中的水填充的纳米孔。跨这种系统的电荷传输具有与置于沟道内的电荷的大静电自能相关联的激活行为。我们在这里表明，激活势垒表现出非平凡的依赖于周围的水溶液中的盐浓度和通道的长度和半径。
2005-03-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modeling Diffusion and Permeation Across the Stratum Corneum Lipid Barrier
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本研究通过分子动力学模拟分析了角质层脂质屏障中丙酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮和水的渗透机制，揭示了能量屏障主导渗透过程，并为室内空气化学模型提供了分子级参数约束。
2025-12-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Free Energy Calculations of Membrane Permeation: Challenges due to Strong Headgroup-Solute Interactions
了解不同种类的分子如何穿过生物膜是预测溶质渗透速率的先决条件，这是药物设计和药理学领域的关键因素。我们使用有偏见的分子动力学计算机模拟计算和比较的自由能档案的易位的几个小分子在1，2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine（DOPC）脂质双层作为第一步，确定最有效的方法计算自由能。我们研究了精氨酸，钠离子，丙氨酸，和一个单一的水分子的易位使用的Metadopathics，伞采样，和交换伞采样技术。在我们的模拟的固定长度，我们发现，所有的方法产生类似的结果为电荷中性的渗透，但不是极性或带正电的分子。我们确定的长弛豫时间尺度的脂质头基和溶质之间的静电相互作用是这种差异的主要原因，并表明，这个缓慢的过程可能会导致错误的依赖计算的自由能分布的初始系统配置。我们演示了使用提交者分析来验证假定的过渡态的适当采样，这在我们的模拟中仅在副本交换计算中实现。基于这些结果，我们提供了一些有用的指导执行和评估的自由能计算的膜渗透。
2017-07-18 physics.bio-ph
Ion transport across solid-state ion channels perturbed by directed strain
我们结合量子化学计算和分子动力学模拟，考虑水离子流通过非轴对称的纳米孔在单层石墨烯和MoS $_2$。当含孔膜受到在各个方向上施加的单轴拉伸应变时，相应的渗透率表现出相当大的方向依赖性。这种各向异性所示的产生从定向扰动的局部静电由相应的孔变形，使孔边缘的几何形状和原子组成。通过考虑纳米孔的离子渗透性取决于应变方向，我们提出了模型系统，可以产生一个详细的了解在固态和生物离子通道的结构-功能关系。具体而言，所观察到的各向异性效应潜在地使得能够使用穿过应变膜的渗透测量来获得由原子组或甚至孔边缘处的单个原子贡献的离子孔能量的方向性分布。由此产生的洞察力可能会促进亚纳米级孔的发展与新的功能所产生的局部不对称的孔边缘功能。
2020-04-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.bio-ph
Capillary Rise of Liquids in Nanopores
我们目前的测量自发吸胀（毛细上升）的水，线性烃（正C16 H34）和液晶（8 OCB）到单片，纳米多孔Vycor玻璃（平均孔径5 nm）的孔隙空间。作为时间的函数，m（t）的多孔主机的质量吸收的测量，是在很好的协议与卢卡斯-沃什伯恩的时间预测，典型的吸液到多孔主机的平方根。相对毛细管上升速度的比例，如预期从体相流体参数。
2007-05-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Hydration Mimicry by Membrane Ion Channels
如果这些蛋白质通道提供了类似于水溶液水合环境的环境，那么离子通过生物膜可能很容易从水中通过离子特异性膜蛋白。事实上，本体水溶液是离子渗透过程的重要参考条件。评估这种水化模拟的观点取决于理解水化结构和水中金属离子的自由能，以提供膜通道环境的比较。为了完善这些考虑，我们审查本地水合结构的离子在散装水，和分子准化学理论，提供水合自由能。在这个过程中，我们注意到一些目前的观点离子结合膜通道，并提出新的物理化学计算和实验，可能会进一步澄清水化模拟的观点。
2019-12-09 physics.bio-ph physics.chem-ph
Multiscale modeling of a rectifying bipolar nanopore: Comparing Poisson-Nernst-Planck to Monte Carlo
在多尺度建模方法的框架中，我们提出了一个系统的研究双极整流纳米孔使用连续和粒子模拟方法。这两种方法的共同点是在隐式水电解质模型的框架内应用能斯特-普朗克（NP）方程计算离子输运。不同之处在于，泊松-玻尔兹曼理论用于泊松-能斯特-普朗克（PNP）方法中，而局部平衡蒙特卡罗（LEMC）方法用于粒子模拟方法（NP+LEMC）中，以将浓度分布与电化学电势分布相关联。由于我们考虑的是短而窄的双极孔，我们使用二维PNP进行模拟。此外，PNP的非线性版本，考虑到拥挤的离子的结果示出。我们观察到在PNP中应用的平均场近似适合于再现双极纳米孔的基本行为（例如，整流）以改变系统的参数（电压、表面电荷、电解质浓度和孔半径）。我们目前的数据，表征纳米孔的行为作为一个设备，以及浓度，电位，和电化学电位的配置文件。
2017-01-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Controlled drug delivery from chitosan-coated heparin-loaded nanopores anodically grown on nitinol shape-memory alloy
K. N. Toosi University of Technology（肯恩·托西理工大学）；Hamadan University of Medical Sciences（哈马丹医科大学）；Marquette University School of Dentistry（马凯特大学牙学院）
本研究通过电化学阳极化和壳聚糖包覆在硝酸盐合金上制备纳米孔，实现肝素的受控释放，用于心血管支架应用。
2026-01-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.bio-ph
Hydrophobic and ionic-interactions in bulk and confined water with implications for collapse and folding of proteins
水和水介导的相互作用决定了蛋白质折叠、蛋白质聚集和在有限空间中自组装的热力学和动力学。为了深入了解水在折叠问题中的作用，我们描述了一些相关模型系统的计算机模拟。二十烷的塌缩动力学表明，在排出水时，线性烃链采用具有1.5圈的有序螺旋发夹结构。二十烷分子的二聚体的结构具有两个彼此垂直堆叠的有序螺旋发夹。作为研究受限空间中折叠的前奏，我们使用模拟来了解纳米液滴中疏水和离子相互作用的变化。在纳米水滴中，疏水和带电物种的溶剂化发生了剧烈的变化。疏水性物种定位在边界处。离子在水密度低的边界处的倾向随着电荷密度的降低而增加。疏水性、极性和带电残基之间的相互作用在密闭空间中也发生了深刻的变化。使用计算机模拟的结果，并占链熵损失后限制，我们认为，然后证明，使用模拟在明确的水，通用两亲性肽序列的有序状态应稳定在圆柱形纳米孔。
2011-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
A Residence-Time Approach for Determining Position-Dependent Diffusivities from Biased Molecular Simulations
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）
本文提出一种基于驻留时间的方法，用于从有偏分子动力学模拟中确定位置依赖的扩散系数，无需谐振限制模拟或噪声时间相关函数的数值积分，通过验证不同膜系统中的扩散系数分布。
2026-08-14 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Poisson-Nernst-Planck-Fermi Theory for Ion Channels
建立了研究生物离子通道离子输运的Poisson-Nernst-Planck-Fermi（PNPF）理论。我们的目标是使用费米分布来处理有限尺寸的粒子，而不计算粒子之间的力，因为它们既昂贵又难以计算。我们包括空间效应的离子和水分子的大小不均匀和间隙空隙，拥挤的离子与不同的价态的相关性，和水分子的屏蔽效应在一个不均匀的水电解质。包括水的有限体积和粒子之间的空隙是这里提出的理论的一个重要的新部分。所有粒子的类费米分布都是从经典粒子的体积排斥导出的。将经典的吉布斯熵推广到一种新的熵形式--吉布斯-费米熵--来描述热力学系统中所有有限尺寸粒子和空隙的混合构型，在这个热力学系统中微观态的概率并不相等。PNPF模型描述了离子、水分子以及具有电场和蛋白质电荷的空隙的动态流动。PNPF结果与在10^8倍Ca++浓度范围内记录的实验电流一致。结果说明了异常摩尔分数效应，L-型钙通道的签名。此外，有关水密度，介电常数，空隙体积和空间位能的数值结果提供了有用的细节，研究各种物理机制，从绑定，渗透，阻塞，灵活性，和电荷/空间竞争的通道。
2015-06-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
