鑽石舞台

圖1. 這篇綜述的概要示意圖。第一部分將簡要介紹「什麼是納米離子學」，然後介紹三種主要的納米離子學系統:生物納米電子學、人工納米電子學和混合納米電子學。在最後一部分，我們試圖回答「為什麼納米離子學」的問題，並給出納米離子學的前景與展望。

圖2. 納米離子學的概念。a)納米離子學是研究離子在限域空間中的輸運。納米離子學的應用主要是將化學能或信息轉化為電能或信息(或反之)。b)粒子與表面(均帶負電荷)的相互作用勢:范德華力與靜電力均與表面與粒子之間的距離成反比。納米粒子被范德華力(藍線)吸引到表面，但被靜電力排斥(紅線)，這裡顯示的是總電勢的最小值(綠線)。

圖3. 生物納米離子學的典型例子。離子深入參與各種生命過程，包括細胞滲透壓維持、電鰻發電、細菌視紫紅質太陽能收集、動作電位產生等能量和信息系統。在所有這些過程中，離子通過生物納米孔的可控轉運被認為是最基本的步驟。

圖4. 固體納米離子學的概念及其在能量和信息過程中的應用。a)離子激發可以用(部分自由)能級圖表示，這通常用於電子激發。b)涉及到固體離子導體邊界的四種原型情況(以Ag+導體為例):接觸到吸附Ag+的絕緣相;晶界;與酸鹼相接觸的活性氣相;接觸到另一個Ag+導體。c)原子親密化固-固界面，改善固體電解質電池中的離子轉運。d)離子憶阻器在固態材料中的離子傳輸。

圖5. 液體納米離子系統中離子相互作用的尺度。在直徑大於100 nm的體系中，離子表現出大體積自由擴散特性。在2 ~ 100 nm範圍內，雙電層控制離子輸運。當尺寸減小到2nm以下時，顯示出一些反常離子輸運(量子效應)性質。圖中最上方的離子相互作用的尺度；右下角牛頓的搖籃模型。

圖6. 2 - 100 nm及以下離子輸運特性的典型例子。a)在2-100 nm範圍內，離子可在特定的方向上運輸，表現出離子門控、離子精餾和離子泵的特性。b)在2 nm以下尺度下，證實了一些類量子力學特徵，如離子庫侖堵塞、離子二極管、離子晶體管。c) 液體納米離子學的基本性質及其在能源和信息處理器中的應用。

圖7. 神經網絡和生物仿生(生物人工)混合納米離子的生物動作電位生成示意圖。在生物系統中，突觸動作電位的產生源於神經遞質觸發的離子轉運。在混合納米離子系統中，人工納米離子系統的外部輸入信號可以寫成突觸後的動作電位，也可以用人工納米離子設備讀取突觸前的動作電位。

圖8. 混合納米離子學的例子。a)通過離子選擇性膜將人工信號轉化為生物信號。b)生物動作電位通過離子晶體管轉化為人工信號。

圖9. 光驅動離子泵與生物分子馬達相結合的混合納米離子能量系統示意圖。

圖10. 與電子相比，離子在設計能量和信息器件方面具有許多獨特的優勢，如不同的價電子、不同的尺寸和不同的極化率。這些特徵使得所有由電子構成的能量和信息處理器都可以由離子重新定義。