随着人们对绿色植物、嗜盐菌、视网膜及深海蓝藻等光合作用机理的深入研究，促使人们更加深刻的认识了光致质子的产生及质子跨膜运输，从而极大地加快人们从发现自然现象、模仿自然到改造自然的速度，为开发新型、高效的光电转换器件提供更为广阔的思路。相关机理探讨及应用方面的工作陆续发表在Nature、Science、J. Am. Chem. Soc.等刊物上。在生物体中，对外界刺激的响应及各种生命过程的实现都是基于生物细胞的微/纳米通道来实现的，这些通道对于控制离子、分子进出细胞进行各项生命活动起到至关重要的作用。当受到外界刺激时，通道能够感知和识别，当外部刺激消除后，通道又能够迅速恢复到原始状态。如电鳗鱼利用离子通道瞬间能产生高达600伏的电压来完成掠夺食物或逃生的目的；视网膜具有光生质子及跨膜运输的能力从而将光能转化成电讯号并根据需要进行传输也是在离子通道的作用下完成的。因此，设想将光生质子及其跨膜运输应用到仿生纳米能源研究中具有极大的可能性。

生物学纳米通道，典型的如离子通道和细胞核孔蛋白等，在细胞的信号传递、能量转换、电位调控、物质交换、以及系统功能调控等生命现象中发挥着极为重要的作用。例如，在神经系统中，离子通道活性的快速变换是产生神经元细胞膜电位变化的原动力，也正是这种快速的电位变化，使得生物信号得以在神经系统中快速传导。肌肉细胞的收缩和释放也是由肌浆网上钙离子通道的开合所触发的。另外，生物纳米通道的结构与功能还与一些重大的人类疾病相关。例如，一类被称为内向整流钾离子通道的生物通道体系大量存在于哺乳动物的神经元细胞以及心肌细胞膜上，它的异常将导致低血糖症和动脉硬化。因此，近一个世纪以来，关于细胞膜离子通道的研究一直是生命科学，化学，医学以及物理学等多学科研究的焦点。1998年，美国洛克菲勒大学的著名学者R. MacKinnon教授首次应用X射线衍射法解析了钾离子通道的蛋白晶体结构，第一次从原子尺度上认识了生物离子通道的结构。随着膜片钳技术的发明，人们对离子通道中离子和分子的输运过程以及它们与孔道功能的关系有了更进一步的认识，从而推动了电生理学向更精细和定量化方向发展。

最初的人工合成纳米孔道技术是1996 年由哈佛大学作为下一代超高速核酸测序技术而提出的。其原理是基于待检测的生物分子在尺寸上与纳米孔道很高的近似性，在分子穿越纳米孔道时，会对纳米孔道的电导产生很大影响。科学家们希望通过监测穿孔电流的开关来读出核酸分子的碱基序列。当时利用的人工孔道是由α溶血素等蛋白质构建的，其结构不稳定，可通过的生物分子种类非常有限，这些都制约了它的应用。因此，迫切需要制备出结构稳定、重复性好、大小可调的仿生纳米离子通道。常用的方法有：阳极氧化法制备氧化铝多孔膜；电子束收缩法制备硅基纳米孔道；化学刻蚀重离子核径迹法制备高分子薄膜基纳米孔道。仿生纳米通道的离子输运过程中具有单向导通的类二极管特性和离子选择性，与细胞膜通道的电压门控非常类似，是研究生物离子通道的很好模型体系，并易于器件集成。Siwy和Dekker在各自综述文章中指出这种在纳米尺度上的仿生纳米孔道结构无论是了解微观物质输运基本规律，还是设计新颖的生物分子探测器和能量转换器都有十分重要意义。中科院化学所研究人员在国际上率先将具有刺激-响应特性的分子或功能基团引入人工合成的纳米孔道，构筑了一系列智能响应性纳米孔道材料和新型纳米器件。完成了纳米孔道的孔径可控及非对称化学修饰构建，可实现pH、光、金属离子、温度等响应。北京大学的王宇钢教授课题组利用离子径迹刻蚀法制备了具有高表面电荷密度的高分子材料纳米孔道，并用于压力驱动发电，最大能量转换效率提高到5%，是目前文献报道的驱动纳流电池中最高转换效率。通过向自然学习，可以改造能量转化的方式来提升效率。最近报道了LaVan等开发了一套模拟电鳗鱼利用高选择性的离子通道将离子浓度梯度转化成为电脉冲信号数学模型。通过学习电鳗鱼，郭维等利用选择性纳米孔道研究了浓度梯度驱动的离子电流源这一新型能源转化器件，将离子浓度梯度形式存在的化学能转化为可方便利用合存储的电能（图1）。 

图1 自然界中的电鳗鱼的强生物电转换体系

综上所述，“仿生纳米通道能量转换材料体系及器件”的核心思想是从生物离子通道体系中与能量转换相关的生命现象（电鳗、光合作用、ATP、视网膜、紫膜、微藻等）获得启示，通过对其原理和微观结构的深入研究和探索，实现微观与宏观的统一，试图从原理和结构上模仿生命中能量高效转换的某一个侧面，实现能量转换材料设计及器件的组装，并最终在能量转换和利用上超越自然（光能到电能、光能到化学能及高效存储）。其重要科学意义在于它将认识自然、模仿自然、超越自然有机结合，将结构及功能的协同互补有机结合，为科学技术创新提供了新思路、新理论和新方法，是知识创新的源泉。它的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业等方面产生深远影响。