核物理与核技术国家重点实验室刘峰、王宇钢课题组在《自然•通讯》上发表超高通量分离膜研究成果

       基于纳米孔道的分离膜在海水淡化和污水处理等方面具有节能和高效的巨大的潜力,但它的实际应用一直受输运和选择性矛盾的制约。最近,北京大学核物理与核技术国家重点实验室刘峰、王宇钢课题组利用核技术成功制备出高密度孔径均匀的亚纳米尺度核孔膜,实现了超高通量和高选择性离子输运的完美平衡,并结合分子动力学模拟揭示了其纳流体输运机制。 该研究工作以“Ultrafast ion sieving using nanoporous polymeric membranes ”为题于2018年2月8日正式发表在《自然•通讯》上(https://www.nature.com/articles/s41467-018-02941-6)。

        纳米孔道的离子输运现象是材料科学和生物物理等领域研究的热点。当纳米孔道的尺度达到纳米即接近分子大小时,将会出现许多奇异的输运现象。研究这些输运现象对于了解细胞膜离子通道机制,制备新型高效分离设备淡化海水、处理污水,探索新型DNA测序方法等都有重要意义。基于核径迹高分子膜制备的纳米孔具有结构坚韧富有柔性并且可以高效大规模制备的优点,但是由于已沿用六十多年的传统化学蚀刻制备法不便可靠控制蚀刻速率,无法达到亚纳米尺度。刘峰和王宇钢课题组基于多年来核径迹纳米孔研究工作的基础(JACS,2008,2009;AFM, 2010,2011; EES, 2011等),首次通过高能重离子轰击高分子膜并进行充分紫外线照射,不进行蚀刻而成功制备亚纳米尺度的核孔膜 (Qi Wen, et al., Advanced Functional Materials,2016, Cover Highlights)。该膜具有超高离子选择性,比如阴阳离子选择性高达108,但导通量离实际应用尚有一定距离。事实上,选择性和通量对于所有离子分离膜都是一对难以调和的矛盾。2017年《Science》专门就此发表题为“Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity”的长篇评述文章,指出分离膜研究的正确方向是要同时具有高选择性和高通量。通过优选高分子膜并利用新的制备工艺,刘峰、王宇钢课题组所获得的新型纳米尺度核孔膜,在保持碱金属离子与重金属离子高选择性的同时,将离子的输运率提高了3个数量级 (图A)。 这种纳米核孔膜的优异分离性能突破了传统的分离膜和氧化石墨烯等新型分离膜的局限 (图B)。与此同时,他们还建立了高分子纳米孔模型并通过分子动力学模拟揭示,一方面由于孔的半径在0.5纳米左右极大减少了脱水势垒的阻碍从而极大提高了输运量,同时由于部分脱水的离子和表面吸附的电荷之间的相互作用而保持了高选择性 (图C)。 这项研究揭示了纳米孔道的离子输运新机制,并且为突破高选择性和高输运率的矛盾提供了新的思路。通过该方法所制备的高分子膜在过滤重金属元素的水净化,制备新型电池等方面也有重要应用价值。

        北京大学物理学院博士研究生王鹏飞和汪茂是本论文的并列第一作者。物理学院和定量生物学中心刘峰研究员和物理学院王宇钢教授是共同通讯作者。本工作得到了国家自然科学基金委重点项目、北大百人项目和兰州重离子加速器国家实验室的支持,并得到北大物理学院欧阳颀院士、罗春雄教授和彭士香副教授及化学学院高毅勤教授等的帮助与指导。