分离膜水道时代的到来！专访新加坡工程院院士

【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。

那么，这种结构与生物系统中的天然通道间的异同是什么？它在我们的实际生活中有哪些不为人知的应用？带着诸多问题，材料人网特别邀请到新加坡工程院院士、南洋理工大学土木与环境工程学院院长王蓉教授进行专访。请王老师来为我们讲解有关纳米结构水通道的前世今生。

首先，对于纳米水通道与生物系统中的天然通道间的异同，王蓉教授讲到：

“这些水通道之间的主要相似之处在于它们具有持久的空隙，并可以区分分子或亚纳米尺度上相似尺寸的混合物，允许水分子通过。生物通道是源自生物科学的天然通道；仿生通道是指受生物通道的启发而特意设计，用于模拟生物通道的的化学合成物；而合成通道是指为水传输而合理设计，具有水传输特性的纳米材料，它不需要模仿生物通道的构型。”至于这种结构在实际生活中那些不为人知的应用，王教授说：“在我们的日常生活中，人们可能不太关注水通道蛋白。但是，各种不同细菌、真菌、动物和植物细胞的细胞膜都含有水通道蛋白。水通道蛋白在生物细胞膜上形成孔，主要促进细胞间水的快速运输。例如，在人体肾脏里，水通道蛋白在尿液浓缩和稀释过程中发挥关键作用。”

在海水淡化领域，相比其他手段，分离膜具备哪些优势？王老师分析道：

目前，海水淡化基于反渗透或热源技术。海水反渗透 (SWRO)方法由于其更低的能量需求和更低的占地面积，在市场上占据主导地位。 通俗地说，膜脱盐技术是占主导地位的技术，因为它比蒸馏等基于热源的方法效率高、能耗低。

【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。

二十余年来纳米通道技术不断更新、发展，王蓉教授团队在文种做出了详实的讲解。细数生物、仿生以及合成的纳米通道里，有哪些重要进展给王教授留下了深刻印象？她这样回答道：水通道材料是推动下一代海水淡化和水处理膜技术发展的关键支柱之一。 生物通道为我们合成仿生通道提供了指导，这些来自大自然的灵感促使研究人员构建了多种仿生通道，能够模拟水通道蛋白的传输特性，实验结果和分子动力学模拟都证实了它们的高透水性和选择性。与仿生通道相比，合成通道也有长足的发展。在过去的二十年里，超分子化学和纳米技术的进步引发了大量多功能纳米通道的发明，大大促进了新型分离膜的制备，其性能可以超过水-能源关系中最先进的聚合物膜。这些进展，令人瞩目。

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

这份工作里，王蓉教授对下一代膜的生物、仿生与合成通道进行了展望。那么，与之前报道过的成果相比，课题组在文中展望的下一代膜的生物、仿生与合成通道未来该去向何方？王蓉教授同样有着很深的见解：与生物通道相比，仿生通道和合成通道的主要优势在于其更高的可加工性和可调节性，其更丰富的化学性质证明了这一点，这使它们能够适应更广泛的溶剂系统和一系列化学功能化。此外，合成的二维纳米通道几乎可以加工成膜用于脱盐和水净化的所有设计，因此被认为具有最大的多功能性。由于尚未解决的通道和聚合物不相容性导致非理想的界面形态，生物通道还没有达到可以放大并用于实际应用的程度。因此，合成通道的丰富化学性质可以实现多种功能化，用于优化与膜选择性层的相容性，从而最大限度地减少缺陷的形成。从稳定性的角度来看，考虑到碳纳米管和石墨烯基材料在形成强共轭系统的 sp²杂化碳原子的驱动下具有化学惰性，因此合成纳米通道比生物和仿生纳米通道略占优势。随后，谈到接下来团队的工作方向，王蓉教授认为接下来，研究团队将继续开拓将水纳米通道与先进的膜制备技术相结合的新方法，并注重提高技术准备水平，促进新的膜技术的产业化。

说到产业化，纳米通道距离产业化究竟还有多远，与哪些行业、产业的联系在未来会更加密切？王老师给我们分享道：在我们看来，纳米通道离商业化并不遥远，已有多种技术可以大规模生产纳米通道。 此外，还有多种技术可以将纳米通道构建成实际应用的平台。 例如，一些公司通过改造当前的生产线，将纳米通道整合到膜制备的化学试剂中，已经展示了大规模生产包含纳米通道的下一代海水淡化膜的能力。其次，基于现阶段的经验及数据，纳米通道将与催化、膜分离、化学传感或电池、燃料电池等能源和环境科学领域紧密相连。当然，其中水分离膜将占据最大的市场份额。

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