Nat. Nanotechnol.：具有可调节水通道和离子通道的二维自适应膜

膜在自然界中无处不在，其主要功能包括自适应过滤和选择性运输化学/分子物种。作为细胞功能的关键，其在许多科学和技术领域也极具基础意义。特别重要的是自适应和可编程的膜，它可以根据环境改变其渗透性或选择性。

有鉴于此，新加坡国立大学Kostya S. Novoselov（2010年诺贝尔奖得主）报道了一种新的范德华复合膜，其水和离子的渗透性可以通过组分的质子化状态和特定离子的存在来控制。

文章要点

1）该有序的膜结构是由多胺大分子（PA）和氧化石墨烯（GO）大分子自组装形成。具有自适应渗透性，其结构类似于刚性细胞植物膜，具有GO和PA功能基团所起的离子通道的作用。坚硬的壁和范德华结构中的强相互作用防止了亲水性成分的膨胀，并为膜提供了结构稳定性。

2）与典型的膜不同，在这些膜中，水和离子的流动由孔径和外部压力控制，而通过该人工膜的渗透性仅由范德华结构中各组分的荷电状态(质子化)以及与某些离子的特定相互作用决定。因此，水的渗透性是由刚性膜内部的固有渗透压决定的，渗透压是由于GO和PA的特定(竞争)荷电状态导致质子浓度过高而产生。类似地，离子输运受质子和离子与GO-PA界面官能团的竞争性相互作用控制，对离子具有很强的选择性，从而允许选择性离子泵浦。

3）研究人员在该人工膜中还观察到一些离子的渗透性可以通过其他离子的存在来调节，从而产生选择性离子传输的“晶体管效应”。

该研究工作提供了一种具有可编程的、预定的渗透性和选择性的膜，该膜由组分的选择，其构象以及带电状态决定。

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强淡化效果

水资源短缺已经成为当今时代，人类面临的最重要的挑战之一。通过有效的水净化和脱盐技术，基于膜的技术在应对这一挑战中发挥着巨大作用。通过界面聚合（IP）制备的薄膜复合（TFC）聚酰胺（PA）膜已成为过去40年中海水反渗透和微咸水反渗透的标准。此外，表现出高水渗透性和总离子排斥性的生物水通道蛋白已被嵌入人工生物辅助膜中。

尽管如此，要实现在高盐度和高压条件下保持其活性或获得高密度水通道蛋白基膜这一目标仍需克服许多挑战。与这些研究并行的是，有科学家已经提出了简单的合成仿生人造水通道（AWCs）。AWCs的开发增加了将这些材料用于海水淡化技术的前景，其可以通过仿生方式调整它们的结构以控制水的迁移，并且具有接近完美的选择性。

受生物蛋白的启发，法国蒙彼利埃大学Mihail Barboiu报道了AWCs可用于克服传统淡化膜的性能。

文章要点

1）研究人员将己基脲基-乙基-咪唑（HC6）溶解在乙醇水溶液中，然后进行超声处理以获得胶体AWC聚集体，在开始传统的IP程序之前，先将其分散在商用聚砜（PSf）载体的活性表面上。在IP期间，AWC可以产生高度分散的，与生长的PA低聚物交联成直径为30–40 nm的杂化纳米颗粒的结晶相，并在受控的聚集/结晶过程后整合到PA中。

2）实验结果显示，该仿生膜在具有代表性的反渗透淡化条件下具有本质上很高的水盐渗透率。杂化聚酰胺呈现出更大的空隙，并无缝结合了I-四方AWCs，可高度选择性地输送水。这些仿生膜可轻松缩放以适用于工业标准（> 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进料溶液中的水通量为75 l m^-2 h^-1 ，可有效用于海水淡化。

3）研究发现，该通量比具有同等溶质截留率的最新膜的通量高出75％以上，这意味着在相同的出水量下，膜面积的等效减少和所需能量的约12％的减少用于淡化。

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