我國團隊巧用冰點差異給復合膜裝上“智能開關”

在二維材料片層之間，水的冰點不再是我們熟知的0℃，而是會顯著降低。記者16日從中國科學院理化技術研究所獲悉，來自該所等單位的科研人員，利用這一冰點差異，給氧化石墨烯-高分子復合膜裝上了“智能開關”，實現了膜性能的精準調控。相關研究成果在線發表于《自然》雜志。

如何讓氧化石墨烯膜在高效透水的同時，還能精準篩分大小極為相近的離子，且長久保持結構穩定，一直是領域難題。“通常，要讓膜的通量大，通道就得寬一些；可通道一寬，選擇性就下來了，而且膜在水里還容易溶脹變形。”論文通訊作者、中國科學院理化技術研究所研究員王健君說，傳統方法中，單體分子的組裝和聚合固化過程相互糾纏，就像蓋房子時搭建框架和澆筑混凝土必須同步進行，難以精確控制內部結構。

此次，科研人員另辟蹊徑，原創提出了限域水/冰介導的“時標分離”新方法。他們巧妙地讓水分子先“凍一凍”：在納米限域空間內，利用層間水與外部體相水的冰點不同，先將單體分子有序“組裝控距”，再通過聚合反應“固化定距”，兩步分時進行，互不干擾。

“這就好比先搭好精確的腳手架，再澆筑水泥固定，最終造出的‘房間’，也就是膜的亞納米通道。”王健君說，這一策略同步實現了層間距控制和通道結構穩定，讓膜材料保持了水分子快速傳輸和離子精確分離的特性。

依托這一思路，科研人員還實現了高分子支柱的可控生長，并且該方法在多種分子體系中均具通用性。結合大量實驗與多尺度理論計算，他們揭示了納米限域下分子組裝與聚合固化的微觀機制。得益于此，該復合膜展現出優異的穩定性，更實現了對水合直徑差異小于0.1埃的銣離子與鉀離子的有效分離，一舉破解了“通量、選擇性、穩定性”難以兼得的困局。

王健君表示，這項研究從“水結冰”這一常見現象出發，開辟出一條全新的精密制造路徑。這項成果標志著我國在二維膜分離材料領域取得重要突破，有望為解決水資源短缺和關鍵礦產供給難題提供新方案。