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  基于納米孔道的分離膜在海水淡化和污水處理等方面具有節(jié)能和高效的巨大潛力，但其實(shí)際應(yīng)用一直受輸運(yùn)和選擇性矛盾的制約。

  最近，北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉峰研究員、王宇鋼教授課題組成功制備出高密度孔徑均勻的接近亞納米尺度的核孔膜，實(shí)現(xiàn)了超高通量和高選擇性離子輸運(yùn)的完美平衡，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了其納流體輸運(yùn)機(jī)制。該研究工作以“Ultrafast ion sieving using nanoporous polymeric membranes”為題于2018年2月8日正式發(fā)表在《自然?通訊》上。

  納米孔道的離子輸運(yùn)現(xiàn)象是材料科學(xué)和生物物理等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。當(dāng)納米孔道的尺度達(dá)到納米即接近分子大小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多奇異的輸運(yùn)現(xiàn)象。研究這些輸運(yùn)現(xiàn)象對(duì)于了解細(xì)胞膜離子通道機(jī)制，制備新型高效分離設(shè)備淡化海水、處理污水，探索新型DNA測(cè)序方法等都有重要意義。

  基于核徑跡高分子膜制備的納米孔具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)韌、富有柔性并且可以高效大規(guī)模制備的優(yōu)點(diǎn)，但是由于已沿用60多年的傳統(tǒng)化學(xué)蝕刻制備法不便可靠控制蝕刻速率，無(wú)法達(dá)到亞納米尺度。劉峰和王宇鋼課題組基于多年來(lái)核徑跡納米孔研究工作的基礎(chǔ)（JACS，2008，2009；AFM，2010，2011；EES，2011等），首次通過(guò)高能重離子轟擊高分子膜并進(jìn)行充分紫外線照射，不進(jìn)行蝕刻而成功制備亞納米尺度的核孔膜（Qi Wen，et al.，Advanced Functional Materials，2016，Cover Highlights）。該膜具有超高離子選擇性，比如陰陽(yáng)離子選擇性高達(dá)10⁸，但導(dǎo)通量離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。事實(shí)上，選擇性和通量對(duì)于所有離子分離膜都是一對(duì)難以調(diào)和的矛盾。2017年Science專門就此發(fā)表題為“Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity”的長(zhǎng)篇評(píng)述文章，指出分離膜研究的正確方向是要同時(shí)具有高選擇性和高通量。

  通過(guò)優(yōu)選高分子膜并利用新的制備工藝，劉峰、王宇鋼課題組所獲得的新型納米尺度核孔膜，在保持堿金屬離子與重金屬離子高選擇性的同時(shí)，將離子的輸運(yùn)率提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)（圖A）。 這種納米核孔膜的優(yōu)異分離性能突破了傳統(tǒng)的分離膜和氧化石墨烯等新型分離膜的局限（圖B）。

  與此同時(shí)，他們還建立了高分子納米孔模型并通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示，一方面由于孔的半徑在0.5納米左右極大減少了脫水勢(shì)壘的阻礙從而極大提高了輸運(yùn)量，同時(shí)由于部分脫水的離子和表面吸附的電荷之間的相互作用而保持了高選擇性（圖C）。這項(xiàng)研究揭示了納米孔道的離子輸運(yùn)新機(jī)制，并且為突破高選擇性和高輸運(yùn)率的矛盾提供了新的思路。通過(guò)該方法所制備的高分子膜在過(guò)濾重金屬元素的水凈化、制備新型電池等方面也有重要應(yīng)用價(jià)值。

  北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生王鵬飛和汪茂是本論文的并列第一作者。物理學(xué)院和定量生物學(xué)中心的劉峰研究員與物理學(xué)院王宇鋼教授是共同通訊作者。本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、北大“百人計(jì)劃”項(xiàng)目和蘭州重離子加速器國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持，并得到北大物理學(xué)院歐陽(yáng)頎院士、羅春雄教授和彭士香副教授及化學(xué)與分子工程學(xué)院高毅勤教授等的幫助與指導(dǎo)。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-02941-6