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，但其實際應用一直受輸運和選擇性矛盾的制約。
最近，北京大學核物理與核技術(shù)國家重點實驗室劉峰研究員、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，實現(xiàn)了超高通量和高選擇性離子輸運的完美平衡，并結(jié)合分子動力學模擬揭示了其納流體輸運機制。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現(xiàn)象是材料科學和生物物理等領(lǐng)域研究的熱點。當納米孔道的尺度達到納米即接近分子大小時，會出現(xiàn)許多奇異的輸運現(xiàn)象。研究這些輸運現(xiàn)象對于了解細胞膜離子通道機制，制備新型高效分離設備淡化海水、處理污水，探索新型DNA測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)堅韌、富有柔性并且可以高效大規(guī)模制備的優(yōu)點，但是由于已沿用60多年的傳統(tǒng)化學蝕刻制備法不便可靠控制蝕刻速率，無法達到亞納米尺度。劉峰和王宇鋼課題組基于多年來核徑跡納米孔研究工作的基礎(chǔ)（JACS，2008，2009；AFM，2010，2011；EES，2011等），首次通過高能重離子轟擊高分子膜并進行充分紫外線照射，不進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，比如陰陽離子選擇性高達108，但導通量離實際應用尚有一定距離。事實上，選擇性和通量對于所有離子分離膜都是一對難以調(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”的長篇評述文章，指出分離膜研究的正確方向是要同時具有高選擇性和高通量。
通過優(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，將離子的輸運率提高了3個數(shù)量級（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，他們還建立了高分子納米孔模型并通過分子動力學模擬揭示，一方面由于孔的半徑在0.5納米左右極大減少了脫水勢壘的阻礙從而極大提高了輸運量，同時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）。這項研究揭示了納米孔道的離子輸運新機制，并且為突破高選擇性和高輸運率的矛盾提供了新的思路。通過該方法所制備的高分子膜在過濾重金屬元素的水凈化、制備新型電池等方面也有重要應用價值。
北京大學物理學院博士研究生王鵬飛和汪茂是本論文的并列第一作者。物理學院和定量生物學中心的劉峰研究員與物理學院王宇鋼教授是共同通訊作者。本工作得到了國家自然科學基金委重點項目、北大“百人計劃”項目和蘭州重離子加速器國家實驗室的支持，并得到北大物理學院歐陽頎院士、羅春雄教授和彭士香副教授及化學與分子工程學院高毅勤教授等的幫助與指導。
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