單納米孔在生物和化學傳感領域引發了變革，它不僅推動了對納米限域傳輸現象的探索，助力人們理解相關原理，還為仿生系統的制備提供了關鍵支持。在單分子傳感器領域，單納米孔發揮著重要作用，像 DNA 和蛋白質測序技術的發展就離不開它。同時，納米孔作為一種模板結構，有助于揭示納米尺度的新物理現象，幫助科研人員探究納米限域的幾何和電化學性質對離子及分子傳輸等功能的影響 。

單納米孔的研究很大程度上受到生物通道特性的啟發。細胞膜上的生物通道在響應特定分子或外部刺激時，就像一個個靈敏的傳感器。而且，生物通道展現出獨特的納米限域誘導傳輸特性，比如具有選擇性，能像晶體管一樣進行電導的開關切換。更有趣的是，哪怕只是替換生物通道中的一個氨基酸，其傳輸特性就可能發生巨大改變，這為人們在原子尺度研究結構與功能的關系提供了重要線索。

如今，眾多先進技術能夠精確制造出不同幾何形狀和電化學性質的單納米孔，無論是固態材料還是聚合物材料都能實現。甚至普通人在家中，利用一些簡單方法就能制備出直徑約 10nm 的單納米孔。當前的前沿電子技術十分強大，能在亞 10pA 的電流水平和亞微秒的時間分辨率下測量離子電流信號，這使得檢測小分子以及監測聚合物通過納米孔時快速的構象變化成為現實�；�于這些豐富的制造和測量技術，許多科研人員致力于設計合成納米孔，使其模仿細胞膜通道的特性，相關研究成果眾多。

然而，生物體系的精妙之處在于，它并非依賴單個通道發揮作用，而是依靠眾多通道協同工作。這些通道常常在同一細胞膜中并行連接，共同構建起復雜而有序的系統。比如，人類耳朵中的毛細胞在感知聲音時，每個毛細胞內的多個機械敏感通道會協同開啟或關閉，讓離子順利傳輸，進而引發一系列連鎖反應，最終改變跨膜電位，并將信號傳遞給大腦。再看神經信號沿軸突在時間和空間上的傳遞過程，這需要鈉離子和鉀離子選擇性通道默契配合，它們在不同的跨膜電位下有序地開啟和關閉。這些生物多通道系統和過程給科研人員帶來了新的思考：合成納米孔如何才能重現類似的現象呢？生物納米孔陣列又能為合成納米孔陣列的制備提供哪些靈感？合成納米孔陣列能否實現像生物膜通道那樣調節細胞下游過程的功能？甚至，它是否有可能具備超越生物系統的獨特功能呢？

早期，納米孔陣列的發展主要體現在傳感器的并行化應用上。大規模并行 DNA 納米孔測序平臺憑借納米孔陣列的優勢，成功實現了 SARS-CoV-2 基因組測序，還在零重力條件下完成了人類 DNA 測序。此外，納米孔陣列借助光學監測熒光信號的技術，能夠同時對多個 DNA 分子進行分析。受電子電路啟發，將含有單納米孔的單個膜連接起來形成電路，還能實現邏輯門等新功能。

但真正的仿生系統追求的是 “整體大于部分之和” 的效果，即通道之間相互作用，產生新的功能。要設計出具有這種涌現特性的納米孔陣列，科研人員需要深入理解決定相互作用本質和控制機制的基礎物理學原理。接下來，文章將圍繞這一主題展開詳細探討，介紹納米孔之間通過不同方式產生相互作用的案例，以及這些相互作用對納米孔陣列功能的影響，還有刺激響應性陣列的應用和納米孔陣列在神經形態計算等前沿領域的探索。

有兩項近期研究關注了納米孔陣列中相鄰納米孔之間的相互作用，它們采用電阻脈沖技術設計納米孔陣列用于單分子傳感，取得了令人矚目的成果。Hu 等人和 Chou 等人分別提出了兩種不同類型的納米孔陣列，成功解決了長期以來如何控制分子通過速度這一難題。在單分子傳感中，降低分子通過納米孔的速度至關重要，因為這有助于提高時間分辨率，進而能夠更精準地檢測更小的分析物，深入探究分子的細微特征。納米孔陣列中相鄰納米孔之間的相互作用，為實現這一目標提供了有效途徑，這種相互作用通過改變分子周圍的微環境，巧妙地調控了分子通過納米孔的動力學過程。

目前報道的大多數納米孔陣列主要用于傳感目的，為了獲得最大的檢測信號，通常會在高鹽濃度條件下進行實驗。在這種情況下，納米孔壁上的表面電荷大多被屏蔽，離子濃度極化現象被顯著削弱。離子濃度極化指的是在納米孔的一個入口處形成離子濃度降低的區域，而在另一個入口處形成離子濃度升高的區域。離子濃度極化的產生源于離子在納米孔內的傳輸過程，當離子通過納米孔時，由于納米孔壁的電荷性質以及離子自身的特性，會導致離子在孔內的分布不均勻，從而引發離子濃度極化現象。

納米孔的幾何形狀和電化學性質對離子濃度極化有著重要影響。不同形狀和尺寸的納米孔，其內部的電場分布和離子傳輸路徑不同，進而影響離子濃度極化的程度。例如，孔徑較小的納米孔，離子在其中的傳輸受到的限制更大，更容易引發離子濃度極化；而具有特殊表面電荷分布的納米孔，會通過與離子的靜電相互作用，改變離子的傳輸行為，進一步調控離子濃度極化的形成和發展。此外，實驗條件如溶液的 pH 值、離子強度等也會對離子濃度極化產生作用，這些因素相互交織，共同決定了納米孔陣列在傳感過程中的性能表現。

亞納米孔陣列是一個充滿研究價值但尚未被充分探索的領域。在如此極端的納米限域環境下，基于經典泊松 - 能斯特 - 普朗克方程的連續介質模型不再適用。這是因為離子具有有限的大小，納米孔壁上的電荷呈現離散分布，而且材料的化學結構對系統的電化學勢有著不可忽視的影響。在研究亞納米孔陣列的傳輸特性時，需要從原子尺度入手，考慮每個原子的位置、相互作用以及電子云分布等因素。通過原子尺度的描述，可以更準確地預測離子在亞納米孔中的傳輸行為，包括離子的選擇性、傳輸速率以及與納米孔壁的相互作用等，為深入理解亞納米孔陣列的功能提供理論基礎。

納米孔陣列的未來發展方向之一是制備刺激響應性陣列。這類陣列模仿生物通道的功能，其不同組件能夠獨立激活或執行不同任務，并且可以對各種外部刺激做出響應。以溫度響應性納米孔陣列為例，它利用了等離子體共振器的原理，實現了對納米孔的局部加熱和門控功能。當外界溫度發生變化時，等離子體共振器會產生相應的變化，進而影響納米孔的狀態，實現對離子傳輸的精確調控。這種刺激響應性陣列在生物醫學、環境監測等領域具有廣闊的應用前景，有望為疾病診斷、藥物輸送以及污染物檢測等提供創新的解決方案。

納米孔陣列在新興的神經形態計算領域也占據著重要地位。單納米孔已被證明可以作為憶阻器發揮作用，憶阻器是一種能夠用于創建模仿大腦功能的離子計算機的電子元件，其獨特之處在于可編程的電阻，且電阻值取決于之前的電阻狀態歷史。Emmerich 等人近期的研究成果展示了納米孔陣列在構建人工神經元方面的潛力。他們通過巧妙設計和制造納米孔陣列，模擬了神經元的信號處理和學習能力。在這個過程中，納米孔陣列能夠像真實神經元一樣，對輸入的電信號進行處理和整合，并根據信號的強度和頻率調整自身的狀態，為實現更高效、更智能的神經形態計算系統提供了新的思路和方法。

納米孔陣列展現出了單納米孔系統所不具備的新穎功能。眾多納米孔緊密排列在一起時，會引發納米孔之間復雜的相互作用，目前科研人員正在深入研究這些相互作用的本質。在某些情況下，這些相互作用是有益的，比如能夠增強對分析物的敏感性，有助于更精準地檢測目標物質；但在另一些情況下，相互作用也可能帶來負面影響，像降低離子通量和離子選擇性，影響納米孔陣列的性能。

如同單納米孔研究的發展歷程一樣，納米孔陣列領域的發展也將受益于多學科的交叉融合。未來，隨著材料科學、物理學、生物學等多個學科的協同進步，科學家們有望進一步優化納米孔陣列的設計和制備工藝，深入理解其相互作用機制，充分發揮納米孔陣列的優勢，拓展其在生物傳感器、離子計算、神經形態計算等眾多領域的應用，為生命科學和健康醫學的發展帶來更多突破和創新。