一篇顶刊综述概述了分离膜水道时代的到来！

【导读】

大自然利用分子和流体在分子尺度上以一种高效而有结构的方式做出了许多了不起的事情。 一个例子是水通道蛋白(AQPs)，这是一种生物水蛋白纳米通道，以其高超的水运输能力(>10⁹个分子/ s)和排斥所有溶质的能力而闻名。 然而，再现AQPs中观察到的令人印象深刻的复杂行为并不是一件容易的事情，因为纳米尺度上的流体和离子的行为在许多方面与经典连续介质力学不同。水通道是推动下一代海水淡化和水处理膜发展的关键支柱之一。在过去的二十年中，纳米技术的兴起汇集了大量多功能纳米通道，这些纳米通道有望重新发明分离膜，其性能超过了水-能源关系中最先进的聚合物膜。如今，这些水纳米通道可以大致分为生物、仿生和合成，因为它们具有不同的性质、物理化学性质和膜纳米结构的方法。此外，在不同分离机制的背景下，不同类型的纳米通道表现出独特的优点和局限性，这决定了它们对不同膜设计的可用性和适用性。

【成果掠影】

近日，新加坡南洋理工大学王蓉教授团队（新加坡膜技术中心）概述了一系列纳米通道的进展，包括水通道蛋白、柱[5]芳烃、I-quartets、不同类型的纳米管及其孔蛋白、石墨烯基材料、金属和共价有机框架、多孔有机笼、MoS₂和 MXenes，并对它们的潜力进行了比较。首先，通过研究纳米通道多年来的演变来绘制背景，然后从化学的角度关注这些通道的关键物理化学和固有传输特性来讨论它们的最新发展。接下来，展望了可以将纳米结构水通道变成高性能纳米通道膜的制造方法，特别关注每种纳米通道的明显差异以及如何利用它们来释放所承诺的高水传输潜力在当前主流的膜设计中。最后，批判性地评估了最近的研究结果，以提供关于膜工程中最受重视的属性的纳米通道的整体定性评估，然后讨论即将到来的挑战，以与研究人员分享观点，以在这个时代的到来中寻找未来的方向水道。相关成果以“The coming of age of water channels for separation membranes: from biological to biomimetic to synthetic”发表在Chemical Society Reviews上。

【数据概况】

图1 水纳米通道的演变。

图2 水纳米通道的研究成果统计。

图3 合成水通道——石墨烯基材料。

图4 合成水通道——金属和共价有机框架。

图5 结合水纳米通道的膜纳米结构——制作方法。

图6 展望——下一代膜的生物、仿生与合成通道

图7 展望——水纳米通道的合理设计到分子水平

【成果启示】

总的来说，生物通道往往具有最佳性能，而合成通道由于其丰富的化学成分和结构多样性可以包含更广泛的多样性，因此更加可调和通用化学改性和膜设计。此外，尽管具有明显的优势，但每种类型的纳米通道面临的挑战无处不在，主要涉及污染、长期稳定性和寿命以及膜工程问题，例如模块设计优化。因此，作者提供他们的视角来帮助应对这些挑战，并突出他们认为将做出最重要贡献的未来方向。

参考文献：Lim, Y. J.; Goh, K.; Wang, R., The coming of age of water channels for separation membranes: from biological to biomimetic to synthetic. Chemical Society Reviews 2022, 51 (11), 4537-4582.

https://doi.org/10.1039/D1CS01061A