Nat. Nanotechnol.：具有可調(diào)節(jié)水通道和離子通道的二維自適應(yīng)膜
膜在自然界中無(wú)處不在，其主要功能包括自適應(yīng)過(guò)濾和選擇性運(yùn)輸化學(xué)/分子物種。作為細(xì)胞功能的關(guān)鍵，其在許多科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域也極具基礎(chǔ)意義。特別重要的是自適應(yīng)和可編程的膜，它可以根據(jù)環(huán)境改變其滲透性或選擇性。
有鑒于此，新加坡國(guó)立大學(xué)Kostya S. Novoselov（2010年諾貝爾獎(jiǎng)得主）報(bào)道了一種新的范德華復(fù)合膜，其水和離子的滲透性可以通過(guò)組分的質(zhì)子化狀態(tài)和特定離子的存在來(lái)控制。
文章要點(diǎn)
1）該有序的膜結(jié)構(gòu)是由多胺大分子（PA）和氧化石墨烯（GO）大分子自組裝形成。具有自適應(yīng)滲透性，其結(jié)構(gòu)類似于剛性細(xì)胞植物膜，具有GO和PA功能基團(tuán)所起的離子通道的作用。堅(jiān)硬的壁和范德華結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)相互作用防止了親水性成分的膨脹，并為膜提供了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
2）與典型的膜不同，在這些膜中，水和離子的流動(dòng)由孔徑和外部壓力控制，而通過(guò)該人工膜的滲透性僅由范德華結(jié)構(gòu)中各組分的荷電狀態(tài)(質(zhì)子化)以及與某些離子的特定相互作用決定。因此，水的滲透性是由剛性膜內(nèi)部的固有滲透壓決定的，滲透壓是由于GO和PA的特定(競(jìng)爭(zhēng))荷電狀態(tài)導(dǎo)致質(zhì)子濃度過(guò)高而產(chǎn)生。類似地，離子輸運(yùn)受質(zhì)子和離子與GO-PA界面官能團(tuán)的競(jìng)爭(zhēng)性相互作用控制，對(duì)離子具有很強(qiáng)的選擇性，從而允許選擇性離子泵浦。
3）研究人員在該人工膜中還觀察到一些離子的滲透性可以通過(guò)其他離子的存在來(lái)調(diào)節(jié)，從而產(chǎn)生選擇性離子傳輸?shù)摹熬w管效應(yīng)”。
該研究工作提供了一種具有可編程的、預(yù)定的滲透性和選擇性的膜，該膜由組分的選擇，其構(gòu)象以及帶電狀態(tài)決定。
Andreeva, D.V., Trushin, M., Nikitina, A. et al. Two-dimensional adaptive membranes with programmable water and ionic channels. Nat. Nanotechnol. (2020)
DOI：10.1038/s41565-020-00795-y
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00795-y
Nat.Nanotechnol.：仿生人造水通道膜用于增強(qiáng)淡化效果
水資源短缺已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代，人類面臨的最重要的挑戰(zhàn)之一。通過(guò)有效的水凈化和脫鹽技術(shù)，基于膜的技術(shù)在應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)中發(fā)揮著巨大作用。通過(guò)界面聚合（IP）制備的薄膜復(fù)合（TFC）聚酰胺（PA）膜已成為過(guò)去40年中海水反滲透和微咸水反滲透的標(biāo)準(zhǔn)。此外，表現(xiàn)出高水滲透性和總離子排斥性的生物水通道蛋白已被嵌入人工生物輔助膜中。
盡管如此，要實(shí)現(xiàn)在高鹽度和高壓條件下保持其活性或獲得高密度水通道蛋白基膜這一目標(biāo)仍需克服許多挑戰(zhàn)。與這些研究并行的是，有科學(xué)家已經(jīng)提出了簡(jiǎn)單的合成仿生人造水通道（AWCs）。AWCs的開發(fā)增加了將這些材料用于海水淡化技術(shù)的前景，其可以通過(guò)仿生方式調(diào)整它們的結(jié)構(gòu)以控制水的遷移，并且具有接近完美的選擇性。
受生物蛋白的啟發(fā)，法國(guó)蒙彼利埃大學(xué)Mihail Barboiu報(bào)道了AWCs可用于克服傳統(tǒng)淡化膜的性能。
文章要點(diǎn)
1）研究人員將己基脲基-乙基-咪唑（HC6）溶解在乙醇水溶液中，然后進(jìn)行超聲處理以獲得膠體AWC聚集體，在開始傳統(tǒng)的IP程序之前，先將其分散在商用聚砜（PSf）載體的活性表面上。在IP期間，AWC可以產(chǎn)生高度分散的，與生長(zhǎng)的PA低聚物交聯(lián)成直徑為30–40 nm的雜化納米顆粒的結(jié)晶相，并在受控的聚集/結(jié)晶過(guò)程后整合到PA中。
2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該仿生膜在具有代表性的反滲透淡化條件下具有本質(zhì)上很高的水鹽滲透率。雜化聚酰胺呈現(xiàn)出更大的空隙，并無(wú)縫結(jié)合了I-四方AWCs，可高度選擇性地輸送水。這些仿生膜可輕松縮放以適用于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（> m2），可提供99.5％的NaCl截留率或91.4％的硼截留率，在65 bar和35,000 ppm NaCl進(jìn)料溶液中的水通量為75 l m-2 h-1 ，可有效用于海水淡化。
3）研究發(fā)現(xiàn)，該通量比具有同等溶質(zhì)截留率的最新膜的通量高出75％以上，這意味著在相同的出水量下，膜面積的等效減少和所需能量的約12％的減少用于淡化。
Di Vincenzo, M., Tiraferri, A., Musteata, V. et al. Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination. Nat. Nanotechnol. (2020).
DOI：10.1038/s41565-020-00796-x
https://doi.org/10.1038/s41565-020-00796-x
