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08
2026
-
06
Nature子刊：仅需两种小分子，室温下自发形成“1D纳米管+2D薄膜”复合膜
作者：
研究背景
水资源安全是全球面临的主要挑战之一，开发节能*的水净化技术至关重要。在各类压力驱动膜过程中，纳滤（NF）因其能有效截留多价离子和低分子量有机物且能耗较低，在饮用水生产、市政及工业废水处理领域展现出巨大潜力。
自20世纪70年代末以来，聚酰胺纳滤膜一直是市场主导选择。这类膜通常采用薄膜复合结构，即多孔支撑层上覆盖一层光滑的二维聚酰胺薄层。然而，尽管其分离选择性优于其他脱盐膜，但透水性相对较低，限制了大规模工业应用。
为提升聚酰胺纳滤膜的透水性能，研究者已从分子单体设计、纳米复合材料以及制膜工艺改进等方面开展了大量工作。然而，膜结构本身变化甚微。新近发展的纳米尺度图灵结构和褶皱表面虽能增加有效过滤面积，本质上仍是对二维平面聚酰胺薄膜的演化。
因此，学术界强烈期待出现颠覆性的新型膜结构——不仅能进一步提升分离性能，还能为理解并最终调控“加工-结构-性能”关系提供新视角。
将传统二维膜与不同维度结构整合，构建混合维度膜，有望实现功能协同，例如提高膜孔隙率和水通量。特别是，若能在二维平面膜上密集排列一维中空管状结构，理论上可显著增加单位投影面积上的水传输有效面积。然而，目前混合维度膜主要依赖纳米材料组装，尚难以经济地大规模合成。
基于以上背景，本文作者发现：在室温下，仅使用两种小分子（哌嗪和均苯三甲酰氯）在油-水界面即可快速自组织形成大面积混合维度聚酰胺膜，其结构为“二维纳米薄膜上生长一维纳米管”（NoN结构）。该结构大幅提升了水渗透性能，同时保持良好的盐截留率，为发展*、可扩展的下一代纳滤膜开辟了新路径。
本文摘要
混合维度膜是*水净化领域颇具前景的候选材料。将传统的二维平面膜与不同维度的结构相结合，有望创造额外水传输位点。然而，如何将膜构筑单元组织成混合维度的层级结构，既能实现快速水传输，又能实现大规模、低成本制造，仍然是一个重大挑战。本文报道了在室温下，仅使用两种小分子在油-水界面，可快速自组织形成大面积混合维度聚酰胺膜的发现。该膜具有一种有趣的层级结构，即在二维纳米薄膜上生长出一维纳米管。这种“二维纳米薄膜上的一维纳米管”结构显著增加了单位投影面积上可用于水传输的有效面积，从而实现了能量*的纳滤膜，其水-盐分离性能远超目前大多数*先进的膜。控制实验结合分子动力学模拟表明，两种分子单体在反应初期自组织形成二维纳米孔网络，随后这些纳米孔内的毛细作用驱动纳米管向上聚合生长。研究结果为理解界面物理与化学相互作用的协同效应如何在常温条件下，将分子“种子”组织成大面积、复杂的层级纳米结构提供了重要见解。这为开发可扩展的、混合维度的水净化膜开辟了新机会。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/RgflWgXck8A2cxz95UvysQ
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