顶刊PNAS推出膜科学专题，一口气10篇，一网打尽

膜科学正在成为可以操作分子并具有全球影响的融合科学

膜分离科学主要研究的是化学物种的选择性穿膜行为。允许化学物种选择性穿过的膜是指一种二维的，在分子尺寸上设计的“能垒”。这一跨学科领域现在已经开始被很多具有不同研究兴趣的科学家们关注，例如超分子化学家、环境科学家、材料学家、聚合物科学家、胶体与界面科学家、纳米流体科学家、结构生物学家以及生物物理学家等。膜科学的最大吸引力在于其应用范围的广泛及其巨大影响力。膜科学有它自身宏大的目标与挑战，它致力于解决包括水净化、废水处理、海水淡化、二氧化碳捕获、食品和乳制品加工、病原体（包括病毒）清除、碳氢化合物加工以及废料中的资源回收等众多科学及社会问题。膜科学面对的这些问题往往涵盖清洁水和空气等和公众健康、气候变化、资源浪费最小化以及能量生产相关的社会紧迫关注的问题。

膜科学专题登上PNAS封面

PNAS杂志于近日出版的特刊从尺度（从分子自组装到工业级分离）、学科（从生物物理学到工业级碳氢分离）、材料（从膜蛋白到石墨烯）以及应用（从分子分析到环境分析）等角度阐述了膜科学的多学科融合特征。该期刊也特别强调了在膜科学中研究兴趣的结合，例如仿生、离子-离子分离、膜工艺残留物（盐水）处理、基于膜的碳氢分离以及废水资源可回收利用技术等。

该特刊中的论文按照应用来分类组织。在每一种应用中又按照不同尺度和所使用的方法进行分类排序。同时，这一特刊也被粗略的分为三个主要部分：受生物启发的想法以及在水性液体分离中的应用、气体和碳氢化合物的分离以及改进当前的膜和膜工艺。“高分子科学前沿”小编在这里做了10篇PNAS论文的导读，建议分享转发加收藏。

01

特刊中的第一部分是受生物学启发的高性能和选择性膜的设计。生物膜的一个突出的特点是出色的离子选择性，例如在钾离子通道中，蛋白质显示出了对钾离子和钠离子10000:1的选择透过性。这些生物离子通道的作用机理启发Warnock等人设计了钾离子高选择性冠醚配体增强膜材料。作者使用单离子和混合离子系统的实验和模拟，强调了指导合成膜中单离子选择性发展的基本原则。至关重要的是，他们证明了离子去水合和配体-离子配位对水合膜中的吸附、扩散和选择性机制的影响。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022197118

02

下一篇文章是在工程膜的层次上展开的。Ayse Asatekin等人展示了一种可扩展使用的两性离子两亲膜。这种膜材料在单一和混合一价盐溶液中对氟离子和氯离子的分离因子超过6。由结合两性离子和可交联疏水链段的无规共聚物的自组装产生的膜结构由相对不可渗透的疏水基质组成，具有水合离子可渗透的亚纳米两性离子通道。阴离子和两性离子之间特定的不同相互作用导致不同阴离子的不同传输速率，而单价抗衡离子传输保持不变，从而实现有效的盐分离。基于先前报道的相似的膜材料，这些膜也被期望具有优异的抗膜污染性。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022198118

03

在这一部分的下一篇文章中，Di Vincenzo等人将使用超分子化学（咪唑部分）创造的分子与传统的界面聚合相结合制备了可扩展的具有可调盐选择性和渗透性的复合海水淡化膜。同时，尽管在先前的工作中人工通道已经被用于制备宏观膜，但是由人工水通道构成的海水淡化膜仍然没有被报道。这篇文章报道了一种真正可实现可扩展苦咸水淡化的膜。该膜基于传统的界面聚合方法，由浸渍在多孔载体中的二胺单体水溶液与有机相中的酰氯单体溶液反应制备而成。Di Vincenzo等人首次混合基于咪唑的分子的乙醇溶液，该溶液是一种包含苯二胺水溶液的胶体溶液，然后将这种胶体溶液浸入多孔超滤载体中。随后作者将标准均苯三甲酰氯单体添加到膜中，形成了一种高效的界面聚合膜，其性能超过了当前已经报道的微咸水反渗透膜的性能。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022200118

04

特刊的第二部分主要集中于气体和碳氢化合物的分离。这一部分的第一篇文章是由Villalobos等人报道。这篇文章使用了自下而上的合成策略，在只有几个石墨烯层的系统中精细控制孔径，以在类似大小的气体对之间提供优秀的选择性。创建用于分离的可扩展少层石墨烯膜的一个挑战是尺寸可控的工程缺陷，以允许基于尺寸的气体分离。这是由于相互接触的石墨烯薄膜通过化学/紫外光蚀刻或离子轰击的方法进行复合后处理是必须的。在这项研究中，Villalobos等人已经实现了真正的自下而上的多晶石墨烯薄膜的合成。通过控制碳在镍表面的沉积，使得该薄膜具有非常高的孔密度（10¹²cm^-2）。这种方法制备的薄膜材料同时也具有非常高的气体渗透性（对于氢气具有高达38000个气体分子透过单元）以及较高的工业气体对选择性，例如H₂/CH₄、H₂/N₂以及CO₂/N₂。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022200118

05

这一部分的第二篇文章是Guo Ruilan等人发表的。在这篇文章中，聚合的气体分离膜内的自由体积单元是通过基于戊烯的梯形聚合物而被设计的。这些膜表现出随着时间的推移渗透性增加的独特趋势，选择性保持相对恒定，这与当前膜中常见的受老化影响的渗透性降低相反。这种违反直觉的趋势是这些膜材料能够通过自由体积构型的概念实现的特征。其中官能团移出聚合物自由体积元素，为这些分子微腔提供额外的通道，从而提高渗透性。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022204118

06

这一部分中的后面两篇文章是关于碳分子筛（CMS）的。这是一种具有迷人性质的薄膜材料。它是由富含高芳烃含量的聚合物热解产生。这篇文章有Ma Yao等人所报道。工业中分离二甲苯异构体的挑战也可以通过设计基于螺二芴基聚合物的膜材料来应对。相对于螺双茚基聚合物，螺二芴基聚合物的使用显著增强了膜材料的传导性。更有趣的是，作者观察到这些材料即使在膜中二甲苯含量较高的情况下也能保持高二甲苯异构体通量，这与已知的在这种条件下生产率显着降低的沸石膜形成鲜明对比。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022202118

07

接下来，Roy等人提供了一个关于石化裂解装置中烯烃-链烷烃分离现状的综述和工业展望。作者展示了用于比较各类材料（包括CMS膜）的品质因数，并描述了通过工艺建模实现可持续和高效烯烃-石蜡分离的设计注意事项。该论文为开发可实施的烯烃-链烷烃分离提供了路线图，同时在可扩展性和长期操作的背景下考虑了实用性、设计和操作参数。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022194118

08

特刊中的最后一部分包含三篇关于改善膜性质和解决膜制备工艺和合成中的挑战的文章。第一篇文章发展并应用了一种评估膜系统创新价值的新方法。Dudchenko 等人认识到，紧密耦合的多组件系统中的创新可能会导致改进单个组件的价值发生意想不到的变化。并开发了一种统计学方法来确定创新投入的优先顺序。作者在分析基于高盐度膜的海水淡化过程中展示了这种方法，帮助研究人员深入了解和比较关键系统组件的性能增强或成本降低相对价值的大小。随后Dudchenko 等人使用他们创建的基于流程的成本优化模型来建立当今高盐水浓缩的主导技术，为寻求可以取代当前最先进技术的下一代技术设定量化创新指标。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2022196118

09

这一部分中的第二个贡献是由Hong Peiying 等人做出的。他们描述了一种独特的方法来防止用于可持续废水处理和能量回收的厌氧膜生物反应器的生物污染。作者同时也阐述了将噬菌体疗法（类似于建议作为医用抗生素替代品的噬菌体疗法）和紫外线消毒方法组合的有效性。Scarascia等人指出，这两种生物污染控制策略的结合实际上是一种协同的方法，并且代表了一种清洁膜的非化学方式。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2016529118

10

最后，Lu等人开发了一种新方法，用于展示如何在界面聚合过程中使用一种简单的添加剂（盐）来制造具有更高选择性和渗透性的薄膜复合聚酰胺纳滤膜。作者同时也阐述了过去几十年来一直属于工业艺术领域的聚酰胺薄膜复合膜合成研究领域。尽管这些膜材料已经对我们的社会产生了巨大的影响，但是相关的知识却在科学家群体中影响很小。例如，聚酰胺薄膜复合反渗透膜（出现在本期封面上）每年在全球许多工厂中用于处理超过 600 亿加仑的水，其效率接近热力学极限（用于海水淡化），但是这种膜却很少被科学家们知道。令人惊讶的是，这些膜材料的构效关系同样很少被人知道。这些膜的科学和本期报道的其他科学为我们认为的爆炸性创新做好了准备，为人类在资源日益受限和污染日益严重的世界面临的最大挑战提供了解决的可能性。

https://www.pnas.org/content/118/37/e2019891118

专题链接：

https://www.pnas.org/content/118/37/e2106494118

来源：高分子科学前沿

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