我国科学家巧用冰点差异给复合膜装上“智能开关”

在二维材料片层之间，水的冰点不再是我们熟知的0℃，而是会显著降低。记者16日从中国科学院理化技术研究所获悉，来自该所等单位的科研人员，利用这一冰点差异，给氧化石墨烯-高分子复合膜装上了“智能开关”，实现了膜性能的精准调控。相关研究成果在线发表于《自然》杂志。

如何让氧化石墨烯膜在高效透水的同时，还能精准筛分大小极为相近的离子，且长久保持结构稳定，一直是领域难题。“通常，要让膜的通量大，通道就得宽一些；可通道一宽，选择性就下来了，而且膜在水里还容易溶胀变形。”论文通讯作者、中国科学院理化技术研究所研究员王健君说，传统方法中，单体分子的组装和聚合固化过程相互纠缠，就像盖房子时搭建框架和浇筑混凝土必须同步进行，难以精确控制内部结构。

此次，科研人员另辟蹊径，原创提出了限域水/冰介导的“时标分离”新方法。他们巧妙地让水分子先“冻一冻”：在纳米限域空间内，利用层间水与外部体相水的冰点不同，先将单体分子有序“组装控距”，再通过聚合反应“固化定距”，两步分时进行，互不干扰。

“这就好比先搭好精确的脚手架，再浇筑水泥固定，最终造出的‘房间’，也就是膜的亚纳米通道。”王健君说，这一策略同步实现了层间距控制和通道结构稳定，让膜材料保持了水分子快速传输和离子精确分离的特性。

依托这一思路，科研人员还实现了高分子支柱的可控生长，并且该方法在多种分子体系中均具通用性。结合大量实验与多尺度理论计算，他们揭示了纳米限域下分子组装与聚合固化的微观机制。得益于此，该复合膜展现出优异的稳定性，更实现了对水合直径差异小于0.1埃的铷离子与钾离子的有效分离，一举破解了“通量、选择性、稳定性”难以兼得的困局。

王健君表示，这项研究从“水结冰”这一常见现象出发，开辟出一条全新的精密制造路径。这项成果标志着我国在二维膜分离材料领域取得重要突破，有望为解决水资源短缺和关键矿产供给难题提供新方案。

（中国科学院理化技术研究所供图）

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