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15
2026
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01
Nat. Water: “仿生分形网络”,让纳滤膜脱离电力束缚的超通量净水革命
作者：
背景
在全球范围内，仍有超过20亿人缺乏安全饮用水，其中许多人生活在缺乏电力与基础设施的地区。纳滤技术凭借其对离子、微污染物与病原体的高效去除能力，被认为是实现普惠清洁水源的理想方案。然而，传统纳滤系统存在两大“致命”限制：依赖外部电力与高压泵：运行压力通常超过5 bar，功耗高且系统复杂；通量受限：常规聚酰胺膜（PA膜）受“漏斗效应”困扰——水分子需穿越厚膜后再横向流动至支撑孔道，造成额外的水力阻力与通量损失。这种结构瓶颈使得膜性能远未发挥其理论潜力，也使电力依赖成为制约纳滤技术普及的关键障碍。要实现真正“无电净水”，亟需从结构上根本性提升膜的通量与低压响应能力。
创新
近日，香港大学汤初阳教授团队以自然界的液体运输体系为灵感，首次构筑出一种“分形结构支撑的超通量聚酰胺纳滤膜（Fr-uPA）”，实现了无需外部电力的高效净水。
仿生分形设计研究团队借鉴树叶脉络与血管系统的层级分支结构，设计出类分形多尺度孔道支撑层。这种结构显著提升了表面比面积与液体汇集效率，形成多方向互联的水分传输网络，从根本上消除了传统膜的“漏斗效应”。
超薄高效界面膜层
创纪录的水通量：113.6 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，比商用膜高出一个数量级；
Na₂SO₄ 截留率达 98.0%；
对病原体去除率超过 99.9999%，对持久性有机污染物（PFOS）去除率达 99.1%。该膜被成功集成至掌上型无电净水装置中，仅靠手动真空泵即可在15分钟内产出250 mL洁净饮用水。
得益于分形支撑的高效集水作用，Fr-uPA膜实现：
在该分形支撑上原位构筑的超薄聚酰胺层厚度低于10 nm，水流可沿分形孔道直接垂直穿透，极大缩短传输路径并降低水力阻力。
性能突破意义
这一研究不仅在材料性能上实现了突破，更在技术与社会层面展现出深远影响。
科学意义：
揭示了“分形结构–界面水力学耦合”在提升纳滤通量中的关键作用，提供了从自然启发到跨尺度膜设计的新范式。
技术意义：
成功实现低压驱动、无需电力的纳滤系统，为轻量化、可携式净水设备的工程化提供了可行路径。
社会与可持续意义：
该电力独立净水系统与联合国可持续发展目标6（清洁饮水与卫生设施）高度契合，为偏远与灾后地区提供了现实可行的安全饮水解决方案。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/fRDqcO0uTFFyLczId7NiAQ
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