合成亚纳米级别的多孔膜材料能够用于水净化和脱盐等，虽然这些膜结构材料在工业应用中获得了巨大成功，通过膜将溶液中特定种类的某种单一组分选择性的分离仍然有较大难度。这种高区分性的选择性分离对特定的分离过程有一定的意义，能改善目前的水处理过程中问题，并且为膜分离技术的进一步发展提供新方法。耶鲁大学Menachem Elimelech等通过相关实验和理论文献中这方面的进展进行总结，主要讨论了亚纳米孔和分离特定物种在亚纳米孔的传输过程中的能垒从分子级别进行机理研究，并为设计下一代的特定选择性的生物膜通道材料提供相关理论指导。

本文要点：

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目前的膜材料中对不同分离物种的选择性较低。亚纳米孔道膜材料的种类通过分离驱动力进行区分：在反渗透（reverse osmosis）、纳米过滤（nanofiltration）等过程中，膜上的液压差必须高于渗透压差，水才能够从膜中穿过。在反渗透和纳米过滤种类的膜中，通常无法实现对不同分离物种的区分，因为致密聚合物基质将大部分的分子阻挡。与反渗透相比，一些孔道更大的纳米过滤膜中，能够对不同价态的离子分离，比如一价阳离子和二价阳离子相比，更容易从膜中穿过，因此能够对一价阳离子实现某种程度上的区分。

电渗析（electrodialysis, ED）技术，一种通过电作为驱动力的技术，在水的脱盐中展现出应用，但是电渗析方法仅仅适用于离子分离过程，这种电驱动过程对电中性的物种无影响。由于界面聚合技术的发展，高渗透性薄膜复合材料TFC（highly permeable thin-film composite）等得以发展并改善了水/分离物种之间的分离作用，但是这种材料缺少对孔的局域结构和化学环境的调控能力。最近，通过二维纳米薄片材料、碳纳米管材料、仿生通道的开发得以改善这种缺点。这种材料的使用实现了滑移流动等过程，并且通过结构和化学的均匀性（homogeneity）、容易调节性改善了对不同分离物种的区分。

（2）

通过过渡态理论对膜材料中的分离过程描述。通过化学势梯度作用能够对分子在膜中的扩散过程进行描述。但是此外需要对不同分子之间的区别性、分离过程中的选择性进行进一步描述。在穿过膜材料的过程中，相关分子需要打破和周围的分子之间的键合作用，并在膜的化学环境中形成稳定相互作用，这种过程可以通过过渡态理论进行描述。分子在膜中的穿过能理解为连续跨越多个能垒的过程。通过阿伦尼乌斯方程式能够对能垒进行模拟，并对不同分子的扩散能力进行解释。

（3）

在分子级别中的机理理解。虽然在不同的操作环境和溶液组成中能够影响分子传输过程中的能垒，分子和溶剂主体的相互作用对分子选择性是最关键的影响。

生物孔道结构为超高的分子区分作用提供了经验和理论指导。目前的研究中对不同物种的分离作用鲜有成功的报道，目前实现的例子局限在对二价离子的分离。生物离子通道为设计特定物种选择性透过提供了理论指导。比如Mackinnon等发现K⁺离子通道的作用机理中发现，该通道对K⁺的传输速率是Na⁺传输速率的10000倍。其中的原因在以下几点：K⁺离子通道的筛分能力达到1.2 nm，该长度是双层脂质（lipid bilayer）的25 %。这导致通过不同分离物之间穿越能垒的区别进行区分。在溶液中含有多种不同分离物种时，对特定分离物种的选择性可以通过特定性质进行识别，比如电荷情况、非水化离子粒径等。此外，通过通道上官能团设计和结合位点，能够实现作为水或其他溶剂的替代物实现对分离物的稳定。

（4）

此外，新型组装技术的开发和使用（比如亚纳米级别的修饰后的碳纳米管，有报道通过原子层沉积方法在一些材料内部修饰SiO₂、TiO₂进一步调控孔道直径能够改善不同物种的选择性）。此外，配位化学是另一种对特定物种进行选择的方法。

操作环境/溶液环境对分离物种选择性的影响。比如溶液pH值、提高特定物种的浓度等方法等。此外，分离过程中的驱动力同样对分离活性有影响。

参考文献

Razi Epsztein, Ryan M. DuChanois, Cody L. Ritt, Aleksandr Noy & Menachem Elimelech*

Towards single-species selectivity of membranes with subnanometre pores, Nature Nanotechnology 2020

DOI：10.1038/s41565-020-0713-6

https://www.nature.com/articles/s41565-020-0713-6