第一篇：可增强淡化效果的仿生人造水通道膜

▲第一作者：Maria Di Vincenzo

通讯作者：Mihail Barboiu

通讯单位：法国蒙彼利埃大学欧洲膜材料研究所

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00796-x

研究背景

受生物蛋白的启发，人造水通道（AWC）可用于改造传统淡化膜的性能。在复合聚酰胺中进行合理的掺入是一种改造仿生膜的新思路，该仿生膜在反渗透淡化条件下具有很高的水盐渗透率。本文报道了AWC在可扩展仿生膜中的结合过程，其性能优于经典的反渗透膜。新合成方法从纳米结构的胶体自组装超结构开始，结合AWC进行优化，从而得到具有选择性水运输通道的结构。

本文亮点

1. 利用杂化聚酰胺呈现出的更大的空隙和可以无缝结合I-四方AWC结构的这一特性，达到可高度选择性地输送水的目的。

2. 这些仿生膜可轻松缩放，以适用于工业标准（> m2），在65 bar和35,000 ppm NaCl进料溶液中、水通量为75 L m-2 h-1的海水淡化条件下，可提供99.5％的NaCl截留率或91.4％的硼截留率。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，这意味着在用于淡化并且在相同的出水量条件下，该膜可以等效减少所需能量的12%以上。

图文解析

▲图1 | 膜的制备和SEM表征

要点：

TFC-HC6膜的合成程序（a图）：

步骤1：用HC6（己基脲基乙基咪唑）水溶液或乙醇溶液浸渍PSf（聚砜）超滤载体；

步骤2：用MPD（间苯二胺）单体水溶液浸渍该载体；

步骤3：用带有己烷的TMC单体的溶液浸渍该载体，从而开始界面聚合（IP）反应，最终获得结合了AWC的聚酰胺薄膜复合材料（PA TFC-HC6）。

▲图2 | 膜的形态TEM表征

▲图3 | 膜在海水和微咸水脱盐中的性能

要点：

过滤条件为：65 bar的压力和35,000 3ppm的NaCl进料溶液、在pH 8下进行海水淡化；在pH 7的条件下，以18 bar的压力和5,800 ppm的NaCl进料溶液进行咸水淡化。在该过滤条件下，HC6优化的TFC膜的透水率要比普通的带HC6的TFC膜和TFC膜的透水率要高，同时，HC6优化的TFC膜的对于特定物质的拦截率高于99.8%。

▲图4 | 膜在典型的海水淡化操作中的应用

总结

嵌入式自组装AWC结构不会在膜最上面的有源层产生缺陷结构。高选择性的AWC本质上是通过具有较大表面积的选择性AWC嵌入层来促进具有选择性穿透行为膜的透水过程。这也表明AWC与周围的PA基质具有出色的结构相容性，同时这也是构建具备无缺陷无缝的活性层的必要条件。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41565-020-00796-x

第二篇：具有可编程的水和离子通道的二维自适应膜

▲第一作者：Daria V. Andreeva

通讯作者：Kostya S. Novoselov

通讯单位：新加坡国立大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41565-020-00795-y

研究背景

膜在自然界无处不在，其主要功能包括自适应过滤和分子种类的选择性转运。对于细胞功能至关重要，它们在科学和技术的许多领域中也至关重要。适应性和可编程膜尤其重要，它们可以根据环境改变其渗透性或选择性。

本文亮点

本文探索了在人造膜中实现生物学功能的过程，并证明了氧化石墨烯（GO）和多胺大分子(PA)的二维自组装异质结构可以形成离子通道网络结构，该离子通道表现出水和单价离子的可调节渗透性，同时可以通过改变pH值或某些离子的存在来调节这种渗透性。与传统的膜不同，本文报道的膜的调节机制依赖于膜内部成分与离子之间的特定相互作用。根据这些性质可以制造具有可编程的、提前预定渗透性和选择性的膜，该膜由组分的选择、构造以及带电状态决定。

图文解析

▲图1 | GO-PA膜（氧化石墨烯-多胺大分子）的结构

要点：

GO-PA膜是由两层PA（多胺大分子）夹在三层GO（氧化石墨烯）膜构成（类似于三明治结构），其中的PA可根据不同的pH条件下的情况生成不同的形态的PA构造，从而达到形成具有特定选择性通道的效果（图b、g）。

▲图2 | GO-PA膜的选择性渗透性

要点：

在pH值从2到11的测试过程中，当pH值在2附近的时候，该膜的水通过流量最大，并且随着pH值的升高而下降（图a、f、g、h）

▲图3 | 内部和外部反离子浓度产生渗透水示意图。（pH 1、pH 2和pH 4时用绿色箭头表示水的传输，pH 7时用红色箭头表示水传输）

要点：

在pH为1、2、4的情况下，GO膜由于受到PA的作用开放了水通道，导致PA区域的水浓度升高（图中的右侧部分），并且在pH为2的时候这一开放力度最大（浓度差最明显）。

▲图4 | 通过pH调节GO-PA 25 kDa膜的离子渗透率示意图

总结

就控制水传输和选择性离子渗透性而言，本文介绍的膜的仿生行为是一个令人震惊的结果，这对于创建自适应膜至关重要。此外，即使是在生理条件下，GO-PA膜仍然具有可操作性并且是高度动态的。离子选择性和渗透性可以在制备阶段进一步编程（例如，通过选择聚离子的强度及其分子量）从而为其应用创造机会。例如，有可能设计出具有选择性K+ / Na+离子透过的膜，用以提取Li+或分离Cs+。 另一方面，该膜采用了调节水和离子渗透性的新机制，进一步研究此类机制对于理解和构建刺激响应性复合材料具有至关重要的意义。利用GO-PA膜可以构建相对简单的人造结构，从而可再现生物性的特性，例如可转换的离子渗透性和选择性。具有选择性释放离子的膜的进一步发展可能会催生出超级纳米电容器，也能用于锂离子电池、净化萃取放射性Cs+、以及用于离子电子和神经形态设备。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-020-00795-y